CC BY
15УДК 614.841.4 DOI 10.25257/FE.2018.3.21-26
РУБЦОВ Дмитрий Николаевич
Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: aiaks.82@mail.ru
РУБЦОВ Владимир Валентинович Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: aubez@mail.ru
ОБЗОР НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИЗУЧЕНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОЖАРА
В публикации приведён литературный обзор некоторых ранее выполненных научно-исследовательских работ, посвящённых изучению особенностей поведения технологических систем в экстремальных условиях углеводородного пожара. Проведённый анализ литературных источников показывает важность, актуальность и научную значимость проведения научных исследований в области обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли.
Ключевые слова: научные исследования, нефть, нефтепродукты, пожарная безопасность, технологические системы.
Научную проблему, связанную с влиянием пламени пожара на технологическое оборудование, можно разделить на два самостоятельных научных направления: первое направление - открыто горящее технологическое оборудование; второе направление - технологическое оборудование, обогреваемое пожаром.
При изучении первого направления научный и практический интерес представляют такие области исследования, как:
- тепловые параметры пламени (температура, интенсивность теплового излучения, излучательная способность);
- геометрические параметры факела пламени пожара (диаметр или ширина, высота или длина);
- режимы горения (ламинарный или турбулентный); механизмы теплопередачи (конвекция, излучение);
- скорость выгорания жидкости (линейная скорость выгорания жидкости, образование гомо-термического слоя);
- нагрев различных элементов конструкции.
Отдельного внимания заслуживают следующие проблемы:
- пожарная опасность вскипания и выброса, горящих нефти или нефтепродуктов;
- пожарная опасность вентиляционных устройств и огнепреграждающих элементов на резервуарах.
При изучении второго направления научный и практический интерес представляют такие области исследования, как:
- формы излучающей поверхности;
- плотность падающего теплового потока;
- коэффициенты облученности для вертикальной и горизонтальной составляющей;
- нагрев элементов конструкции резервуара;
- нагрев горючей жидкости в резервуаре;
- возможность распространения пожара.
Одними из первых отечественных учёных,
проводивших фундаментальные научно-исследовательские работы в рассматриваемой сфере деятельности, являются В. И. Блинов и Г. Н. Худяков. К области их научных интересов относится изучение режимов горения и механизмов теплопередачи от пламени к жидкости в зависимости от размеров очагов горения или, точнее, диаметров резервуаров [1].
В результате их работ установлено, что при увеличении диаметра резервуара происходит изменение режима горения от ламинарного к турбулентному, теплопередача в этом случае от пламени к жидкости меняется от теплопроводности до излучения:
1) диаметр малого размера (до 10 см):
- режим горения ламинарный, теплопередача от пламени к поверхности жидкости осуществляется теплопроводностью;
2) диаметр среднего размера (от 10 до 100 см):
- режим горения переходный от ламинарного к турбулентному, теплопередача от пламени к жидкости осуществляется конвекцией и излучением;
3) диаметр большого размера (от 1 м и более):
- режим горения турбулентный, теплопередача от пламени к жидкости осуществляется излучением.
Первые исследования, посвящённые проблеме изучения влияния теплового воздействия пламени пожара на соседний негорящий резервуар,
© Рубцов Д. Н., Рубцов В. В., 2018
21
проведены в 1971 году. Работы выполнены в ВИПТШ МВД СССР учёными П. Н. Романенко, М. Я. Ройт-маном, А.-Х. С. Измайловым. Целью работ являлось обоснование противопожарных разрывов между резервуарами.
При влиянии пламени пожара на соседний не-горящий резервуар нагреваются его стенка, жидкость, находящаяся внутри, и паровоздушное пространство. Прогретая сухая стенка негорящего резервуара влияет на нагрев паровоздушного пространства резервуара и при достижении определённой температуры может стать источником зажигания.
Значимая работа в этой области принадлежит В. П. Сучкову [2]. Им изучен механизм прогрева поверхностного слоя жидкости за счёт конвективного подъёма нагретой жидкости у нагреваемой пожаром смоченной стенки резервуара. Также им проведены эксперименты на лабораторной модели резервуара. Тепловое излучение от пламени пожара моделировали с помощью панели инфракрасного излучения. В лабораторных условиях измеряли температурные поля в стенке, паровоздушном пространстве и жидкости, а также концентрацию паров в резервуаре.
Шведским национальным институтом по испытаниям и исследованиям проведена работа по оценке адекватности численных моделей расчёта интенсивности теплового излучения от горящего резервуара и влияния их на соседний негорящий резервуар. Численное моделирование было проведено для трёх резервуаров с бензином - результаты показали, что температура стенки резервуара через 30 мин выходит на стационарный режим нагрева и находится в диапазоне от 100 до 500 °С. Такой диапазон нагрева зависит, во-первых, от размеров горящего резервуара и, во-вторых, расстояния от него. Определено, что если резервуар непосредственно омывается пламенем пожара, то температура стенки повышается до 500 °С через несколько минут. Критические условия определяли по условию повышения температуры стенки до температуры самовоспламенения горючей жидкости [3].
В 2000 году в компаниях ООО «Пожарный дом» и ЗАО «Нефтемонтаждиагностика» были проведены эксперименты по определению температурного режима крыши и понтона из алюминия при горении модели РВСП-1000. Цель опытов -определить температурный режим в надпонтонном пространстве резервуара, огнестойкости понтона и крыши из алюминиевых сплавов при пожаре в кольцевом зазоре резервуара [4]. Установлено, что максимальная температура понтона вблизи корпуса модели резервуара составила 500-550 °С.
Модель понтона изготовлена ступенчатой, с воспроизведением барьера для удержания огне-тушащей пены и опорных стоек. Зазор между кромкой плавающей крыши и стенкой модели резервуара уплотнялся затвором из поролона с тем, чтобы исключить возможность перетекания воздушного потока из области над крышей под неё и обратно.
В ходе выполнения экспериментов меняли положение плавающей крыши относительно резервуара.
Опыты подтвердили установленный теоретически относительно безопасный температурный режим в конструкциях резервуара с крышей при пожаре в кольцевом зазоре (термограммы) и позволили наблюдать поведение понтона и крыши из алюминия при различных вариантах пожара. При горении в резервуаре без крыши настил понтона нагрелся до температуры плавления и постепенно расплавлялся, один из поплавков под действием пожара разрушился, после этого понтон затонул.
В Академии ГПС МЧС России на кафедре пожарной безопасности технологических процессов был проведён комплекс научно-исследовательских работ (2004-2010 гг.), связанных с изучением устойчивости технологического оборудования в условиях пожара.
Первая работа указанного комплекса опубликована под названием «Устойчивость к воздействию тепловых потоков пожара горизонтальных резервуаров с нефтепродуктом», автор работы Р. Ш. Хабибу-лин [5]. В научном труде рассматривается влияние теплового воздействия пожара на горизонтальный резервуар с нефтепродуктом, которое может привести к достижению критических температур оболочки резервуара по условию самовоспламенения паров нефтепродукта, а также образованию неравномерного температурного поля резервуара. Указанные процессы могут привести к его разрушению вследствие возникновения тепловых деформаций и изменения прочностных характеристик конструктивных материалов.
В результате проведённой работы разработана математическая модель и методика численного расчёта по определению нестационарного температурного поля горизонтального резервуара с нефтепродуктом в условиях теплового воздействия пожара в сопряженной постановке задачи. Пример результатов расчётов представлен на рисунке 1 в виде температурных полей горизонтального резервуара. Также были проведены огневые эксперименты для установления закономерностей изменения температурного поля горизонтального резервуара в условиях
Температура, °С Мах: 279
Рисунок 1. Температурное поле оболочки резервуара при воздействии лучистого теплового потока интенсивностью 20 кВт/м2 (время теплового воздействия 10 мин) [5]:
а - длина; Ь - ширина; Ь - высота
Высота, м Температура, °С
Мах: 349
-0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,11 мт: 203
Длина,м
Рисунок 2. Температурное поле фланцевого соединения (время нагрева 10 мин)
теплового воздействия пожара пролива нефтепродукта и проверки адекватности разработанной математической модели.
Значимость работы для практики заключается в том, что разработанная математическая модель, программное обеспечение, результаты вычислительных и экспериментальных исследований совместно с практическими рекомендациями позволяют:
- определять предельное тепловое нагруже-ние наземных горизонтальных резервуаров и цистерн;
- обосновывать выбор средств для их огнезащиты;
- определять противопожарные расстояния;
- прогнозировать пожароопасные ситуации на нефтегазовых объектах.
Другой работой, выполненной в этом комплексе исследований, является диссертация на тему: «Огнестойкость фланцевых соединений технологических систем с нефтью и нефтепродуктами», выполненная Д. Н. Рубцовым [6]. Цель диссертационной работы - определение огнестойкости фланцевых соединений технологических систем с нефтью и нефтепродуктами и огнезащитной эффективности вспучивающегося покрытия, нанесённого на фланцевое соединение.
Проблема огнестойкости фланцевых соединений в условиях пожара была затронута учёным О. М. Волковым и инженером В. А. Березиным. Они установили, что разгерметизацию фланцевых соединений в условиях пожара объяснить выгоранием прокладок нельзя [7], так как герметичность теряют и соединения с металлическими прокладками.
В работе [6] научной новизной является предложенная математическая модель и методика численного расчёта температурного поля фланцевого соединения, омываемого пламенем нефтепродукта.
Также экспериментально подтверждено, что на разгерметизацию фланцевых соединений в условиях пожара не влияет ни степень затяжки шпилек, ни толщина уплотнительной поверхности. Разгер-
метизация фланцевых соединений наступает вследствие неравномерных температурных деформаций, возникающих в элементах фланцевой арматуры.
Результаты численного эксперимента представлены в виде графической интерпретации температурных полей фланцевых соединений (рис. 2).
Из полученных результатов численного эксперимента видно, что фланцевое соединение в условиях пожара ведёт себя как единая термодинамическая система, но при его нагреве присутствуют перетоки тепла, что объясняется неравномерностью нагрева. Для подтверждения адекватности математической модели и для того, чтобы узнать критическую температуру, при которой наступит процесс разгерметизации, поставлен физический (огневой) эксперимент.
На рисунке 3 представлен фрагмент проведения огневого эксперимента при омывании пламенем незащищённого фланцевого соединения. Видно, что при проведении экспериментов установка фланцевого соединения полностью находится в зоне видимого горения и испытывает наибольшие тепловые нагрузки (см. рис. 3).
При проведении огневых испытаний установлена низкая огнестойкость фланцевого соединения,
Рисунок 3. Фрагмент огневого эксперимента при омывании пламенем фланцевого соединения
Рисунок 4. Фрагмент огневого испытания огнезащитного покрытия, нанесённого на фланцевое соединение
которая в среднем составляет 7-8 мин по потери герметичности - шпильки нагреваются быстрее других деталей фланцевой арматуры.
Эксперименты позволили определить, что относительное расхождение теоретических и эмпирических данных, связанных с прогревом деталей фланцевой арматуры, носит удовлетворительный характер, несмотря на сложность процесса теплообмена в общей системе фланцевого соединения. Это обстоятельство свидетельствует о возможности применения на практике разработанного способа моделирования и расчёта температурных полей при определении времени достижения критических температур для фланцевых соединений.
Также в работе [6] предложен способ повышения огнестойкости фланцевых соединений за счёт применения вспучивающихся огнезащитных составов и экспериментально апробирована его эффективность. С этой целью ставился самостоятельный эксперимент. На рисунках 4—5 представлены фрагменты огневого испытания фланцевого соединения с нанесённым огнезащитным покрытием.
Огневое испытание определило специфический эффект огнезащитного действия вспучивающегося покрытия, который основан на герметизации пространства между щёк фланцевого соединения посредством вспучивания и расширения каркаса покрытия и образования застывшего кокса, препятствующего выходу взрывопожароопасных сред за пределы технологической установки. Предложенный способ огнезащиты позволил существенно повысить огнестойкость фланцевого соединения, что позволит локализовать пожар и предотвратить стадию его каскадного развития на нефтегазовых объектах.
В настоящее время на кафедре пожарной безопасности технологических процессов (Академия ГПС МЧС России) проводится научно-исследовательская работа, посвящённая изучению закономерностям развития пожара на резервуаре с защитной стенкой типа «стакан в стакане» [9, 10].
Рисунок 5. Характер поведения вспучивающегося огнезащитного покрытия
Влияние пожара на корпус горящего резервуара изучен в достаточной мере, однако наличие защитной металлической стенки может значительно изменить процесс теплообмена, что необходимо учитывать при проектировании противопожарной защиты и ликвидации пожаров на резервуарах такого типа.
Оригинальный подход к увеличению огнестойкости корпуса резервуара представлен в работе [8], в которой автор предлагает применять гелеобра-зующие системы (ГОС). В отличие от жидкостных средств пожаротушения ГОС практически на 100 % остаётся на защищаемой поверхности.
В заключение необходимо отметить, что материалы, приведённые в обзоре, отражают небольшую часть фундаментального объёма информации, полученной в данной отрасли знаний Академией ГПС МЧС России, ВНИИПО МЧС России и другими учебными и научно-исследовательскими организациями, связанными с обеспечением пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли.
Приведённая информация показывает основные направления научной деятельности, сформулированные благодаря усилиям учёных и инженеров, занимающихся проблемами пожарной безопасности, которые позволили определиться в становлении ряда научных школ, в рамках которых решены и продолжают решаться задачи по обеспечению пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли. Результатами этой работы являются:
- научно обоснованные требования пожарной безопасности, изложенные в нормативных правовых актах и нормативных документах по пожарной безопасности для объектов нефтегазовой отрасли;
- значительный комплекс научной, учебной и методической литературы;
- подготовленные специалисты различных уровней квалификации: доктора технических наук, кандидаты технических наук, инженеры и специалисты пожарной безопасности, бакалавры техно-сферной безопасности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей. М.: Академия наук СССР, 1961. 208 с.
2. 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.
3. Persson H, LönnermarkA. Tank Fires: Review of fire incidents 1951-2003. SP Fire Technology, Brandforsk Project 513-021 SP Report 2004:14. SP Swedish National testing and Research Institute, Boras, 2004. 80 р.
4. Обоснование требований пожарной безопасности к резервуарам типа РВСП с понтоном и крышей из алюминия. Отчёт. М.: Пожарный дом, 2000. 25 c.
5. Хабибулин Р. Ш. Устойчивость к воздействию тепловых потоков пожара горизонтальных резервуаров с нефтепродуктом: дис. ... канд. техн. наук: 05.26.03 / Хабибулин Ренат Шамильевич. М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. 162 с.
6. Рубцов Д. Н. Огнестойкость фланцевых соединений технологических систем с нефтью и нефтепродуктами: дис. . канд. техн. наук: 05.26.03. М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. 173 с.
7. Волков О. М. Пожарная безопасность резервуаров с нефтепродуктами. Монография. СПб.: Политехнический университет, 2010. 398 с.
8. Савченко А. В. Перспективы использования гелеобразу-ющих систем для охлаждения резервуаров с нефтепродуктами от теплового воздействия пожара // Материалы 3-й международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2014». М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. С. 96-98.
9. Рубцов Д. Н, Шалымов М. С. Необходимость численного моделирования при исследовании огнестойкости защитной стенки резервуара с нефтью и нефтепродуктами // Материалы 3-й международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2014». М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. С. 94-96.
10. Рубцов Д. Н, Егоров А. Н. Оценка состояния защитной стенки нефтяного резервуара типа «стакан в стакане» при пожаре // Материалы Ежегодной 25-й международной научно-технической конференции «Системы безопасности - 2016». М.: Академия ГПС МЧС России, 2016. С. 325-327.
Материал поступил в редакцию 27 июня 2018 года.
Dmitri RUBTSOV
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: aiaks.82@mail.ru
Vladimir RUBTSOV
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Senior Researcher State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
REVIEW OF RESEARCH WORKS IN THE FIELD OF STUDYING THE BEHAVIOR OF TECHNOLOGICAL SYSTEMS IN EXTREME CONDITIONS OF A HYDROCARBON FIRE
ABSTRACT
Purpose. The article provides an analysis of literature sources devoted to the study of the behavior of technological systems in extreme conditions of a hydrocarbon fire. The analysis of literature sources shows the importance, relevance and scientific significance of scientific research in the field of fire safety of oil and gas industry facilities.
Methods. Review and analysis of research works.
Findings. The results of activities in the direction of scientific research related to fire safety of oil and gas industry facilities are summarized.
Research application field. The results of the publication should be used in the educational process at the universities of EMERCOM of Russia and other relevant institutions.
Conclusions. The results of the work show high importance of scientific activity in the field of studying issues of fire safety of technological systems with oil and oil products.
Key words: scientific research, oil, oil products, fire safety, technological systems.
REFERENCES
1. Blinov V.I., Khudyakov G.N. Diffuzionnoe gorenie zhidkostey [Diffusion combustion of liquids]. Moscow, Academy of Sciences of the USSR Publ., 1961. 208 p.
2. 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. Grand PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, Moscow Fire Safety Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia Publ., 1997. 467 p. (in Russ.).
3. Persson H., Lonnermark A. Tank Fires: Review of fire incidents 1951-2003. SP Fire Technology, Brandforsk Project 513-021 SP Report 2004:14. SP Swedish National testing and Research Institute, Boras, 2004. 80 p.
4. Obosnovanie trebovaniy pozharnoy bezopasnosti k rezervuaram tipa RVSP s pontonom i kryshey iz alyuminiya [Justification of fire safety requirements for tanks of the RSP type with a pontoon and aluminum roof]. Moscow, Pozharnyy dom Publ., 2000. 25 p. (in Russ.).
5. Khabibulin R.Sh. Ustoychivost k vozdeystviyu teplovykh potokov pozhara gorizontalnykh rezervuarov s nefteproduktom [Resistance to heat fluxes of horizontal tanks with petroleum products. PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2010. 162 p. (in Russ.).
6. Rubtsov D.N. Ognestoykost flantsevykh soedineniy tekhnologicheskikh sistem s neft'yu i nefteproduktami [The resistance of the flange connections of process systems in oil and petroleum products. PhD in Engin. Sci. diss]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2010. 173 p. (in Russ.).
7. Volkov O.M. Pozharnaya bezopasnost rezervuarov s nefteproduktami [Fire safety of tanks with oil products]. St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU) Publ., 2010. 398 p.
8. Savchenko A.V. Perspektivy ispolzovaniya geleobrazuyushchikh sistem dlya okhlazhdeniya rezervuarov s nefteproduktami ot teplovogo vozdeystviya pozhara. Mat-ly 3 mezhdunar. nauch.-prakt. konf. molod. Uchen. i spets. "Problemy tekhnosfernoy bezopasnosti - 2014" [Proceedings of the 3rd Inter. sci. and pract. conf. of young sci. and spec. "Problems of technosphere safety - 2014"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2014, pp. 96-98. (in Russ.).
9. Rubtsov D.N., Shalymov M.S. Neobkhodimost' chislennogo modelirovaniya pri issledovanii ognestoykosti zashchitnoy stenki rezervuara s neft'yu i nefteproduktami. Mat-ly 3 mezhdunar. nauch.-prakt. konf. molod. Uchen. i spets. "Problemy tekhnosfernoy bezopasnosti - 2014" [Proceedings of the 3rd Inter. sci. and pract. conf. of young sci. and spec. "Problems of technosphere safety - 2014"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2014, pp. 94-96. (in Russ.).
10. Rubtsov D.N., Egorov A.N. Otsenka sostoyaniya zashchitnoy stenki neftyanogo rezervuara tipa «stakan v stakane» pri pozhare. Mat-ly Ezhegod. 25 mezhdunar. nauch.-tekh. konf. "Sistemy bezopasnosti - 2016" [Proceedings of the Annual 25th inter. sci. and tech. conf. "Safety systems - 2016"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2016, pp. 325-327. (in Russ.).
26
© Rubtsov D., Rubtsov V., 2018
