CC BY
57
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
Канд. техн. наук, заместитель директора Института инженерной безопасности МГСУ
Д. А. Корольченко
Д-р техн. наук, начальник кафедры “Общей и специальной химии" Академии ГПС МЧС РФ
С. С. Воевода
УДК 641.841.655
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОТИВОПОЖАРНОМ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ, ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТА НЕФТИ
Представлены результаты современных исследований по противопожарной защите объектов переработки, хранения и транспорта нефти. Описаны исследования процесса тушения пожаров в резервуарах пленкообразующей пеной, а также результаты по изучению свойств фторсинтетических пенообразователей. Приведены примеры комбинированной системы пожаротушения резервуаров с понтоном.
В семидесятые годы прошлого столетия появилось необычное средство тушения пожара — пенный концентрат компании 3М (США), названный “легкая вода”. Хотя водный раствор этого пенообразователя имел плотность выше, чем у бензина и нефти, но при нанесении его на поверхность горючего капли раствора самопроизвольно растекались по ней. В результате на поверхности формировался тончайший слой водной пленки, которая практически прекращала испарение углеводородов. После тушения пламени водная пленка в течение 15-25 мин препятствовала повторному воспламенению нефтепродукта.
В дальнейшем данные составы получили общее название “пленкообразующие пены”. Секрет указанного эффекта — растекания более плотной жидкости по поверхности углеводородов — заключался в необычно низком поверхностном натяжении этих растворов, что обеспечивалось использованием вновь открытого класса химических соединений
— фторированных поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1-3].
Появление фторсодержащих пенообразующих концентратов (пленкообразующей пены) внесло решительное изменение в практику тушения пожаров нефтепродуктов. В связи с этим произошло преобразование оборудования, используемого для противопожарной защиты резервуарных парков, средств тушения аварийных проливов, защиты нефтяных терминалов морских портов и т.д.
Внедрение указанного средства вновь поставило на первое место использование пены низкой кратности и разработку комплекса оборудования для ее эффективного применения. Появилась воз-
можность подачи пены в виде компактных струй на большие расстояния, разработан “подслойный” способ, позволяющий предотвратить выброс горящей нефти из резервуара путем подачи пены в его основание.
Применение системы “подслойного” тушения (СПТ) позволяет увеличить полезный объем резервуара и избежать возможные утечки пара через неплотности, которые возникают вокруг обычных пе-нокамер из-за суточного перепада температуры.
Научное обеспечение и практическое использование “подслойной” системы требовали проведения комплексных исследований механизма огнетушащего действия низкократной пленкообразующей пены, которая под давлением столба нефти в резервуаре поднималась на горящую поверхность нефтепродукта. Было необходимо выявить оптимальные параметры технологического процесса введения пены в основание резервуара. Параллельно создавали новые рецептуры пленкообразующей пены с использованием биологически мягких соединений — фторированных поверхностно-активных веществ, разрабатывали конструкцию устройств для получения и транспортировки низкократной пены при наличии внешнего давления.
Первые исследования механизма тушения пожара “подслойным” способом были осуществлены в диссертационных работах в 1988 г. Тогда удалось предложить модель процесса тушения, включающую в качестве основных стадий: вытеснение горючей жидкости из подающего трубопровода; эмульгирование пенообразующего раствора в момент выхода пены из насадка; “загрязнение” пены горючим
при ее продвижении через слой нефтепродукта; растекание пены по поверхности горючей жидкости с учетом механического переноса, связанного с движением поверхностного слоя и самопроизвольным растеканием под действием положительной величины коэффициента растекания; формирование локального участка с минимальным изолирующим слоем, способным снизить концентрацию паров до нижнего концентрационного предела воспламенения.
На базе предложенной модели была проведена оптимизация процесса тушения, выявлена зависимость времени тушения, удельного расхода и интенсивности подачи пены, показана взаимосвязь между критической и оптимальной интенсивностями подачи при тушении горючих жидкостей. Были выявлены оптимальные режимы тушения пожаров в зависимости от природы горючей жидкости, скорости ввода пены, концентрации пенообразователя в растворе и дана оценка влияния толщины слоя горючей жидкости, диаметра резервуара или площади зеркала нефтепродукта на характер процесса тушения “подслойным” способом.
Предложена модель термического разрушения пены под действием тепловых потоков зоны горения с учетом изменения плотности излучения по мере покрытия пенным слоем площади горения нефтепродукта. Выведена аналитическая зависимость интенсивности и скорости термического разрушения пены от площади горящего резервуара и степени покрытия его пеной в процессе тушения. Проведен анализ термического распада пены, “загрязненной” углеводородом.
На базе теоретических и экспериментальных исследований разработан, изготовлен и испытан специальный пенный насадок, позволяющий снизить степень загрязнения пены и повысить огнетушащую эффективность серийно выпускаемых фторсодержащих пенообразователей.
Пленкообразующие составы разрабатывали и исследовали их эффективность сотрудники ВИПТШ МВД СССР в 1988-1992 гг. Систематическое изучение позволило выявить основные закономерности процесса тушения пламени нефтепродуктов пленкообразующими составами, позволяющие установить влияние таких параметров, как поверхностная активность растворов, коэффициент растекания, предельная мицеллярная растворимость горючего в растворе пенообразователя, пороговая концентрация фторированного компонента состава пенообразователя.
На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований предложена модель тушения “загрязненными” пенами, представляющая собой последовательную очередность процессов: са-
моочищения пены при формировании изолирующего слоя на поверхности нефтепродуктов; само-растекание пленкообразующей пены по горящей поверхности; термическое разрушение “загрязненных” пен под воздействия факела пламени.
Сотрудниками ВИПТШ МВД разработан механизм самоочищения пенного слоя, характеризующийся параметром удельной скорости истечения нефтепродукта по пенным каналам. Установлена зависимость степени “загрязнения” пенного слоя от интенсивности подачи пены на поверхность горящего нефтепродукта и поверхностной активности водного раствора пенообразователя.
При изучении термического разрушения частично “загрязненных” пен выявлена зависимость интенсивности термического разрушения пен от концентрации стабилизаторов, повышающих порог коагуляции эмульгированных нефтепродуктов. Предложена скорректированная формула для определения времени тушения нефтепродуктов в резервуарах в зависимости от количества примесей нефтепродукта, содержащихся в пенном слое.
Разработан трехстадийный механизм образования, стабилизации и разрушения водных пленок, включающий: гидростатическое истечение жидкости из пленки в процессе формирования отрывающейся капли раствора под действием периода давления, солюбилизацию нефтепродукта в мицелляр-ных растворах углеводородного стабилизатора.
По оригинальной методике определена эффективность защитного действия водных пленок на поверхности нефтепродуктов, позволяющая количественно оценить качество водных пленок в условиях движущегося воздушного потока. Показано, что защитное действие пленок сохраняется, если скорость воздушного потока на поверхности жидкости не превышает определенного значения, которое зависит от величины термодинамического коэффициента растекания.
Выявлено, что огнетушащая эффективность водных растворов, содержащих систему катионного фторированного соединения с перфторпеларгоно-вым радикалом и углеводородного — алкиларил-сульфонатов, снижается в случае изменения взаимного соотношения компонентов. Разработана эффективная тройная композиция, включающая анионное углеводородное, катионное и неионогенное фторированное поверхностно-активные вещества. Рабочая концентрация этого синергетического комплекса составляет менее 0,01 % масс., при этом величина оптимальной интенсивности подачи пены равна 0,05-0,08 кг/(м2-с), что соответствует уровню лучших зарубежных аналогов.
Разработаны технологическая схема и технические условия на изготовление пленкообразующего
пенообразователя. Освоено опытно-промышленное производство пенообразователей “Подслой-ный” и “Мультипена”.
Сопоставление результатов лабораторных и полигонных натурных испытаний по тушению “под-слойным” способом показали, что эффективность вновь созданных составов практически не зависит от объема резервуара, если величина оптимальной интенсивности обеспечивается дополнительным вводом пены в резервуар.
Таким образом, в результате проведенных исследований:
• выявлена взаимосвязь между огнетушащей и пленкообразующей эффективностями фторированных составов и определяющими параметрами, включающими в себя: поверхностное и межфазное натяжения водного раствора, коэффициент растекания раствора по поверхности нефтепродукта, предельную мицеллярную растворимость горючей жидкости в растворе пенообразователя, пороговую концентрацию поверхностно-активных веществ;
• описан механизм самоочищения пен в процессе тушения и выявлена взаимосвязь степени “загрязнения” с интенсивностью подачи пены и межфазным натяжением границы “пена - нефтепродукт”;
• показано, что интенсивность термического разрушения частично “загрязненных” пен снижается при использовании стабилизаторов, повышающих порог коагуляции эмульгированных нефтепродуктов;
• определено минимальное значение толщины изолирующего слоя при использовании “загрязненных” пен; на основе анализа термического разрушения “загрязненных” пен предложена формула для определения времени тушения нефтепродуктов в резервуарах в зависимости от количества горючего, содержащегося в пенном слое;
• разработан механизм образования, стабилизации и разрушения водных пленок, включающий гидростатическое истечение, испарение воды и солюбилизацию горючего, приводящую к нарушению сплошности пленок;
• обоснованы показатели, характеризующие защитные действия пленкообразующих составов, в том числе показатель, определяемый по соотношению скоростей испарения горючего под пленкой и без нее. Эффективность защитного действия повышается с применением стабилизаторов с минимальной мицеллярной растворимостью по отношению к конкретному нефтепродукту;
• показано, что при использовании комплекса катионного фторированного и анионного углеводородного компонентов формируются пленки с пониженной скоростью испарения воды;
• выявлены синергетические комплексы веществ, позволившие разработать пленкообразующие композиции с минимальным содержанием фторированного компонента;
• разработана тройная композиция, включающая два вида фторированных соединений, и выявлены оптимальные соотношения компонентов.
В ходе исследования создан пленкообразующий пенообразователь, по огнетушащей эффективности не уступающий лучшим зарубежным составам. Разработан комплекс экспериментальных методов, включающий определение: кинетических параметров формирования водной пленки на поверхности нефтепродукта, эффективности защитного действия изолирующих пленок раствора пенообразователя, огнетушащей эффективности пленкообразующих пен, подаваемых в слой нефтепродукта. Комплекс позволяет количественно оценить пригодность пенообразователей для целей пожаротушения нефтепродуктов в резервуарах “подслой-ным” способом.
В 1990-1995 гг. рассмотрены закономерности тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах “подслойным” способом в условиях интенсивного движения жидкости. Предложена модель процесса тушения пламени в резервуаре, в которой последовательно рассмотрены: ввод пены в слой горючего, движение пены и увлекаемой ею жидкости к поверхности, образование “буруна”, формирование пенного слоя в условиях встречного движения нефтепродукта и частичное поглощение пены циркулирующими потоками горючего.
На основе предложенной модели показано, что по мере увеличения удельной скорости выгорания используемого в эксперименте нефтепродукта возрастает величина критической интенсивности подачи пены. Синхронно увеличиваются оптимальная интенсивность и удельный расход пенообразователя. Создана методика определения величины оптимальной интенсивности подачи пены на основе комплекса, учитывающего положение экстремальных значений на кривых зависимости удельных затрат и удельной скорости тушения от интенсивности ввода пены.
На примере экспериментов с реальными резервуарами объемом 700, 2000 и 5000 м3 показано удовлетворительное совпадение времени тушения и удельного расхода пенообразователя с расчетными величинами, при этом в качестве базового варианта, по которому определяли эмпирические константы, характеризующие интенсивность циркуля-
ции жидкости, использовали натурные эксперименты с РВС-5000.
Установлено, что оптимальное количество пенных насадков и их расположение в резервуаре зависят от размера резервуара (высоты и площади), удельной скорости выгорания нефтепродукта, поверхностного натяжения пенообразующего раствора и кратности пены. Превышение или уменьшение количества пенных насадков относительно оптимального приведет к увеличению времени тушения и удельных затрат пенообразователя.
Процесс формирования водных пленок из растворов фторированных пенообразователей предложен и детально изучен в 1995-2000 гг. В результате проведенных исследований:
• предложен способ направленного регулирования огнетушащего действия пленкообразующей пены, который обусловлен эффектом самопроизвольного растекания по поверхности горючей жидкости выделяющейся водной пленки;
• разработан механизм образования и растекания водной пленки по поверхности углеводорода;
• создана методика измерения скорости растекания водных пленок, движущихся несплошным фронтом;
• установлено влияние коллоидно-химических свойств пены и ее кратности на скорость растекания водной пленки;
• предложены расчетные соотношения для оценки основных параметров тушения пленкообразующей пеной, учитывающие долю поверхности горючего, покрытую водной пленкой.
В рассматриваемые годы изучен механизм огнетушащего действия фторпротеиновой пены, который включает в качестве определяющей стадии формирование обугленного слоя белковых компонентов на поверхности наружного слоя пенных пузырьков. В рамках предложенной модели процесса тушения фторпротеиновыми пенами проведен количественный анализ материального баланса пены, на базе которого получено полуэмпирическое соотношение для оценки времени тушения пожара нефти.
Показано, что термическая устойчивость фтор-протеиновых пен обеспечивается за счет образования термоустойчивых обугленных участков в наружном слое пены при непосредственном контакте с нагретым нефтепродуктом и факелом пламени.
Выявлена зависимость изолирующей способности олеофобной твердеющей пены от толщины пенного слоя. Определена изолирующая способность и время защитного действия олеофобной твердеющей пены на поверхности различных нефтепродуктов.
Исследован механизм формирования твердеющего пенного слоя на поверхности углеводородов,
учитывающий активное взаимодействие пены с нефтепродуктом и ее собственные параметры.
Разработана модель процесса тушения пламени нефтепродуктов олеофобной твердеющей пеной, учитывающая двойной эффект процесса отверждения пены.
В научных исследованиях 2000 г. проведен анализ процесса тушения пламени горючих жидкостей “подслойной” подачей пены через водно-солевой раствор пенообразователями различной природы. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлена зависимость критической интенсивности подачи огнетушащего состава и минимального удельного расхода тушащего средства от таких параметров, как высота водного раствора и его поверхностная активность, жесткость водной среды, предельная концентрация адсорбционного заполнения водно-солевого слоя, природа горючей жидкости и вид пенообразующего состава.
Определена растворимость пены в водной среде, которая позволила количественно оценить качество пенообразователя в условиях подачи пены через водно-солевой слой. Было предложено по характеру влияния водного раствора на коллоиднохимические и огнетушащие свойства пен подразделять пенообразователи на две группы. К первой были отнесены составы, которые заметно снижали эффективность при пропускании их пен через водно-солевой слой, ко второй — пенообразователи, сохранившие заданные свойства. Полученные результаты показали, что пенообразователи “Мультипена”, “Подслойный” и “Штамекс-АФФФ” вошли в первую группу, а “Гидрал-3” и “ФС-203А” — во вторую.
Оценено влияние слоя воды на состав пены при подъеме ее к поверхности горения. Изменение состава пены вследствие потери поверхностно-активных веществ приводит к снижению эффективности защитного действия водных пленок на поверхности нефтепродуктов. Защитное действие водных пленок сохраняется, если концентрация ПАВ в растворе не ниже определенного значения, зависящего от вида пенообразователя и его рабочей концентрации.
На базе экспериментальных исследований доказано, что предельная концентрация водно-солевого раствора, при которой пена сохраняет заданные свойства и формирует пенный слой на поверхности горючего, на один-два порядка ниже величины критической концентрации мицеллооб-разования, что делает возможным применение СПТ для защиты резервуаров — сепараторов обводненной нефти. Величина предельной концентрации определяется видом пенообразователя.
Установлена взаимосвязь “загрязнения” пены нефтепродуктом при подаче через слой воды и го-
рючего от таких параметров, как вид пенообразователя, концентрация рабочего раствора и интенсивность подачи пены. Определено, что эта зависимость носит линейный характер. Показано, что увеличение толщины водного раствора практически не влияет на процент загрязнения пены горючим, при этом “загрязнение” пены в два-три раза меньше, чем при подаче непосредственно через слой горючего.
Определены оптимальные концентрации пенообразователей при подаче через водно-солевой раствор, величина которых зависит от типа пенообразователя и жесткости водной среды.
На основе анализа пенообразующей способности различных пенообразователей установлено, что кратность и устойчивость пены зависят от жесткости водного раствора, из которого они приготовлены.
Получены экспериментальные данные по тушению горючих жидкостей подачей пены через водно-солевой слой в лабораторных условиях, показана их корреляция с данными натурных крупномасштабных испытаний.
Описана физическая модель процесса тушения пламени различных углеводородов пенами, подаваемыми через водно-солевой слой, которая позволяет количественно определить такие параметры, как время тушения и минимальный удельный расход огнетушащего средства, критическая и оптимальная интенсивности подачи пены.
Таким образом, в ходе исследований:
• определена взаимосвязь между критической и оптимальной интенсивностями подачи пены при тушении пламени нефти через водный слой. Данные, полученные с использованием выявленных расчетных соотношений, удовлетворительно совпадают с экспериментальными, полученными как в лабораторных, так и в полигонных натурных условиях;
• предложен метод направленного регулирования огнетушащей эффективности фторсинтетиче-ской пены путем изменения величины натяжения межфазной границы “раствор - углеводород” при положительном коэффициенте растекания водного раствора по углеводороду;
• показано влияние кратности на огнетушащую эффективность пены, причем в зависимости от способа применения пены при тушении пламени (например, “подслойным” способом либо при подаче пены в кольцевой зазор уплотнителя плавающей крыши или понтона) степень использования различным образом зависит от кратности пены;
• показана возможность получения фторсодержащего пенообразователя, пригодного для созда-
ния пены низкой и средней кратности, путем выбора оптимального соотношения фторированного и углеводородного компонентов;
• разработана методика определения оптимальной концентрации пенообразователя на основе сопоставления диаграмм взаимного самопроизвольного растекания раствора пенообразователя и горючей жидкости;
• продемонстрирована возможность образования пены совместным использованием свежего раствора и водного раствора пенообразователя, образующегося в донном слое в процессе тушения пламени подачей пены под слой нефти;
• получены результаты комплексных экспериментальных измерений поверхностно-активных свойств смесевых композиций, содержащих углеводородные и фторированные компоненты различной природы;
• выявлена взаимосвязь защитного действия водных пленок фторсинтетических пенообразователей, предотвращающих испарение горючей жидкости, с коллоидными характеристиками углеводородного и фторированного поверхностно-активных веществ в пенообразователе;
• исследования огнетушащей эффективности пленкообразующих пен и коэффициентов растекания раствора по горючему и горючего по раствору позволили определить области пено- и пленкообразования в зависимости от концентрации водного раствора пенообразователя. Теоретический аспект тушения пожара в насосной по перекачке нефти высокократной пеной рассмотрен в работах 2000-2005 гг. Несмотря на возникающие в процессе пожара или взрыва проемы, эффективность высокократной пены сохраняется благодаря ее высокой сдвиговой прочности.
Применение высокократной пены дает возможность заполнить объем помещения в течение 10-30 с, что позволяет быстро локализовать пожар и предотвратить возможность повторного загорания.
Экспериментальные исследования показали, что наличие дыма в воздухе, который увлекается (эжектируется) в генератор пены, всегда приводит к снижению ее кратности. В зависимости от природы пенообразователя и конструкции генератора пены, а также от концентрации и температуры дыма величина кратности пены снижается от 800-700 до 400-150.
Дополнительным эффектом дыма является длительное ухудшение работоспособности генераторов пены, которые при последующем использовании чистого воздуха не образуют пены кратностью выше 400.
Главным условием устойчивости процесса образования пены высокой кратности является обес-
печение целостности пленок водного раствора пенообразователя, смачивающих металлическую сетку. Этот процесс характеризуется высокой удельной скоростью производства (деформации) поверхности жидких пленок на границе с воздухом, что приводит к возникновению заметной разности электрических потенциалов между сеткой и пеной.
Трение воздуха с поверхностью пленок при движении воздуха через сетку вызывает в смачивающих пленках высокие касательные напряжения. При достижении предельных скоростей движения воздуха через сетку возникают критические условия, при которых целостность пленок нарушается. Происходит срыв процесса образования пены, а вместо пены из генератора раздельно выходят воздух и раствор пенообразователя.
Основными компонентами дыма, воздействующими на процесс образования пены, являются: твердые углеродистые частицы; обугленная смолистая дисперсия; газы, растворимые и не растворимые в воде; газы, химически взаимодействующие с металлом сетки; водяной пар.
Твердые углеродистые частицы поглощают (сорбируют) своей развитой поверхностью молекулы ПАВ, снижая их эффективную концентрацию в пленках. В результате утрачивается стабильность свободных пенных пленок, снижается рабочая скорость образования пены.
Обугленная смолистая дисперсия постепенно обволакивает металлическую поверхность, формируя гидрофобный слой, который не смачивается водным раствором пенообразователя.
Газы, растворяясь в воде, повышают кислотность среды и тем самым снижают степень диссоциации анионных ПАВ. В результате уменьшаются электрокинетический потенциал и общий заряд поверхности, что ведет к потере целостности смачивающих и свободных пленок.
Газы, не растворимые в воде, в том числе азот воздуха, являются основными наполнителями пенных пузырьков.
Газы, химически взаимодействующие с металлом сетки, способны образовывать с металлической поверхностью химические соединения или окислы, которые затрудняют смачивание сетки. Как и в случае с обугленной смолистой дисперсией, здесь экранируется электрический потенциал металлической поверхности и утрачиваются электро-осмотическое и электростатическое давления, стабилизирующие смачивающие водные и свободные пленки пены.
Нагретый перенасыщенный водяной пар конденсируется на стенках холодных водных пленок, в результате кратность пены снижается. Чем выше
температура дыма и концентрация пара, тем резче снижение производительности генератора по пене.
Если режим образования пены не критический, то периодическое орошение оголенных участков вновь приведет к формированию смачивающей пленки, и ячейка войдет в нормальный режим образования пузырьков пены. Закономерности образования пены на сетках наиболее полно отражаются зависимостью кратности пены от скорости воздушного потока, поданного в генератор.
Наиболее устойчивым к действию дыма является водный раствор пенообразователя “Мультипена”.
Ниже представлен пример одной из систем пожаротушения, которая базируется на результатах научных исследований, — комбинированной системы противопожарной защиты резервуаров повышенной вместимости.
Противопожарная защита резервуаров с нефтью и нефтепродуктами повышенной (более 20 000 м3) вместимости осуществляется комбинированной системой тушения пожара. В случае резервуаров с понтоном или плавающей крышей в качестве основных используются системы, нацеленные на тушение пожара на начальной стадии его развития в кольцевом пространстве между плавающей крышей (понтоном) и стенкой резервуара. Такими системами являются пенные камеры, равномерно распределенные по периметру верхней кромки резервуара. Второй (резервной) выступает система тушения пожара низкократной пеной, которая подается в основание резервуара непосредственно в горючую жидкость или через донный слой воды (рис. 1).
Если пожар начался с взрыва паровоздушной смеси, то понтон и плавающая крыша оказываются частично затопленными в нефтепродукте. В этом случае система противопожарной защиты, наце-
пенообразователя
Рис. 1. Вариант системы пожаротушения с подачей пены в верхний уровень резервуара от пеногенераторов, расположенных у основания (в обваловании)
ленная на кольцевой зазор, не способна потушить пожар, поскольку рассчитана на тушение углеводорода только в кольцевом зазоре шириной 1,5 м. Для такой ситуации наиболее эффективной является “подслойная” система подачи низкократной пены. Наиболее простым в реализации является комбинированное применение в обеих системах низкократной пленкообразующей пены.
Технология “подслойного” тушения пожаров, в которой низкократная пена подается в основание резервуара, защищена от разрушений, обычно происходящих с традиционной системой тушения пожара — навесными пенокамерами — при взрыве паровоздушной смеси.
Эффективность действия СПТ сохраняется независимо от времени протекания пожара, поскольку пена поднимается на поверхность с “холодной” нефтью. Экспериментальные исследования процесса подъема пены на поверхность углеводорода позволили выявить особую эффективность “под-слойного” способа при защите резервуаров с понтонами. Только этот способ позволяет в первые минуты обновить нефтепродукт около нагретого борта резервуара. В результате происходят охлаждение горящей жидкости и вынос в кольцевой зазор низкократной пленкообразующей пены.
При деформации понтона или плавающей крыши пена проникает во все закрытые сверху участки
— “карманы” — и прекращает горение как внутри резервуара, так и вокруг понтона (плавающей крыши).
“Подслойный” способ позволяет резко снизить температуру нефтепродукта независимо от диаметра защищаемого резервуара. Только такой способ подачи пены является эффективным при наличии изолированных пространств, образующихся при обрушении стен и крыши резервуара и при вспучивании понтона или плавающей крыши.
Реальность осуществления “подслойного” способа возникла после освоения производства особого типа пенообразователей на фторированной основе, которые формируют пены, не смешивающиеся с углеводородами, и образуют водные пленки, самопроизвольно растекающиеся по поверхности нефти.
Натурные огневые испытания эффективности “подслойной” системы, проведенные в России в течение десяти последних лет, включая испытания в г.г. Лисичанск (РВС-100), Астрахань (РВС-800), Новополоцк (РВС-1500), Пермь (РВС-2000), Альметьевск (РВС-5000), подтвердили ее надежность. Естественно, что осуществить натурные огневые опыты на всем разнообразии резервуаров и с различными видами и состоянием нефти не представляется возможным, поэтому использованиерасчет-
но-экспериментального метода обоснования нормативных параметров СПТ позволяет сократить затраты и ускорить разработку соответствующих рекомендаций.
Огневые натурные испытания РВС-2000 и РВС-5000 позволили практически проверить развиваемые в Академии ГПС (ВИПТШ — МИПБ) МВД — МЧС России модельные подходы, описывающие процесс тушения “подслойным” способом, и разработать расчетно-экспериментальный метод обоснования и прогнозирования основных параметров “подслойной” системы.
Комбинированная система противопожарной защиты стальных металлических резервуаров с плавающей крышей и понтоном включает:
• в качестве основной систему подачи низкократной пены, полученной из фторированного пленкообразующего пенообразователя, в кольцевой зазор;
• в качестве резервной систему подачи пленкообразующей низкократной пены, полученной из того же раствора, в основание резервуара в слой углеводорода (“подслойный” способ).
Система "подслойного ” тушения пожаров резервуаров с нефтью и нефтепродуктами позволяет использовать одновременно два механизма воздействия: охлаждение поверхностного слоя за счет холодной нефти, увлекаемой вверх восходящей струей пены, и изолирующее действие самопроизвольно растекающейся по нефти водной пленки и слоя высокодисперсной пены низкой кратности.
Если температура вспышки нефти намного выше температуры окружающей среды, то тушение пламени произойдет при снижении температуры поверхностного слоя нефти до температуры вспышки. Потушить пожар нефти, содержащей легкие фракции углеводородов, за счет охлаждения поверхности не удается. Здесь условием тушения является резкое снижение скорости поступления паров углеводорода в зону горения, что достигается в результате покрытия поверхности нефти пеной или самопроизвольно растекающейся водной пленкой.
В любом случае, применение СПТ позволяет гарантировать надежное тушение пожара, несмотря на температуру, которую может принять нефть при затянувшемся пожаре.
Система “подслойного” тушения пожаров в резервуарах — это совокупность специального оборудования, пенообразователя и технологии, позволяющая готовить пенообразующий раствор, генерировать, транспортировать и вводить низкократную пену непосредственно в слой горючего или подтоварную воду, обеспечивая быстрое тушение пожара.
Применение СПТ позволяет ликвидировать горение нефти в резервуаре, несмотря на разрушение верхнего пояса и наличие закрытых сверху участков поверхности горения. Эффективность тушащего действия таких систем практически не зависит от времени развития пожара, поскольку пена вводится в холодный, нижний слой нефти в резервуаре.
Система “подслойного” тушения пожаров работает как в автоматическом (стационарном) режиме, так и от передвижной пожарной техники.
СПТ включает протяженную линию трубопроводов для подачи пенообразующего раствора к пе-ногенераторам, далее, низкократной пены по пено-проводам через проем в стенке резервуара внутрь, непосредственно в нефть, через систему пенных насадков (рис. 2).
Основные требования к СПТ касаются:
• условий эксплуатации и периодической проверки ее работоспособности;
• расположения внутренней и наружной разводок пенопроводов;
• отдельных элементов системы;
• пенного концентрата (пенообразователя);
• технологических параметров;
• автоматических или ручных устройств включения системы;
• передвижной пожарной техники, используемой для реализации “подслойного” способа. Условия применения и эксплуатации должны
обеспечивать надежную работу системы при резких перепадах температур в зимний период, предусматривая, в зависимости от расположения резервуара и обводненности нефти в нем, необходимый обогрев участков системы, где возможно скопление воды или водной эмульсии.
Разрывная
мембрана
Подслойный Пеносливы пенопровод Пена
на понтон
Высоко-
напорные
пено-
генераторы
Поверхность пенопроводов внутри резервуара должна защищаться покрытиями от коррозии. Фланцевые соединения системы, расположенные в обваловании резервуара, необходимо защищать покрытиями, обеспечивающими период огнестойкости не менее 45 мин.
Конструкция и расположение пенопроводов должны предотвращать скопление воды и отложений осадка в линии пенопроводов. Например, плоскость расположения внутренней разводки каждого из пенопроводов должна быть наклонена вниз от места ввода на 5-10° по отношению к горизонтальной плоскости для обеспечения периодического стока нефти и предотвращения накопления воды.
Напорные узлы пенопроводов предпочтительно размещать в непосредственной близости от гидрантов противопожарного водопровода или пожарных водоемов. Рекомендованное расстояние от гидрантов противопожарного водоснабжения до напорных узлов пенопроводов составляет 40 м.
В СПТ используется следующее оборудование (рис. 3):
• высоконапорные пеногенераторы (ВПГ);
• гребенка для подключения двух или более рукавных линий раствора либо двух или более пе-ногенераторов к одному пенопроводу;
• стационарные или переносные дозирующие устройства и смесители;
• автоматические или ручные устройства для включения системы;
• задвижки до и после обвалования;
• обратный клапан;
• пакет с предохранительной разрывной мембраной снаружи или внутри резервуара;
• внутренняя разводка пенопровода с пенными насадками;
• кубовые емкости с пенным концентратом (пенообразователем) для передвижной пожарной техники.
Обратный Разрывная клапан мембрана
Высоконапорные
пеногенераторы
Растворопровод
Пена под слой
Пена на понтон
Рис. 2. Внешняя разводка растворо- и пенопроводов системы комбинированного тушения пожара в резервуаре РВС-20000 с металлическим понтоном
Высоконапорный
пеногенератор
Рис. 3. Внешняя разводка растворо- и пенопроводов комбинированной системы тушения пожара резервуара РВС-20000 с металлическим понтоном для подачи низкократной пены через высоконапорные пеногенераторы, установленные в обваловании резервуара
Основные тактико-технические характеристики “подслойной” системы тушения.
Расходные параметры по пенообразующему раствору:
• нормативная интенсивность подачи пленкообразующего раствора (пены);
• общий расход водного раствора пенообразователя, л/с;
• рабочая концентрация пенообразователя;
• нормативный запас пенообразователя для отдельной площадки;
• расчетная величина кратности пены;
• запас воды, необходимый для тушения. Параметры системы образования и ввода пены:
• количество линейных вводов пены;
• общее количество высоконапорных пеногене-раторов на каждом линейном воде;
• количество насадков для ввода пены в резервуар;
• расстояние и расположение насадков;
• рабочее давление водного раствора пенообразователя на входе в пеногенераторы.
Благодаря пристальному вниманию руководства ОАО “АК “Транснефть”, ОАО “НК “Роснефть”, ОАО “Татнефть” и ОАО “Лукойл” проведено внедрение данной системы в масштабах всей нефтяной отрасли России. В ОАО “АК “Транснефть” организовано производство основных компонентов “под-слойной” системы тушения:
• пленкообразующего пенообразователя “Мультипена”, способного производить пену низкой, средней и высокой кратности;
• высоконапорного генератора пены низкой кратности;
• предохранительной мембраны и пенной камеры для подачи пены в резервуар с плавающей крышей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П., Воевода С. С., Шароварников С. А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. — М.: ИД “Калан”, 2002. — 448 с.
2. Шароварников А. Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение. — М.: Знак,
2000. — 464 с.
3. Шароварников А. Ф., Салем Р. Р., Воевода С. С. Общая и специальная химия: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МВД России, 2001. — 461 с.
Поступила в редакцию 29.09.06.
