CC BY
29ОГНЕПРЕГРАЖДАЮЩИЕ СЕТОЧНЫЕ ЭКРАНЫ
ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ
А.С. Крутолапов, кандидат технических наук, доцент; И.Д. Чешко, доктор технических наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Рассмотрено использование стальных сеток в качестве огнепреграждающих экранов. Показана эффективность сеток с использованием огнезащитных вспенивающихся красок в качестве защиты технологического оборудования при пожаре.
Ключевые слова: пожар, огнепреградитель, огнезадерживающий экран, вспенивающая огнезащитная краска
FIRE-PREVENTION NET SCREENS FOR PROTECTION OF PROCESSING EQUIPMENT OF OIL AND GAS PIPELINES
A.S. Krutolapov; I.D. Cheshko.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
Use of steel grids in quality the fire-prevention of screens is considered. Efficiency of grids with use of fireproof foaming paints as protection of processing equipment is shown at a fire. Keywords: fire, fire-prevention, fire-retardant screen, making foam fireproof paint
Защите технологического оборудования объектов нефтегазового комплекса от пожаров уделяется повышенное внимание. При этом рассматривается всегда два направления обеспечения пожарной безопасности: исключение возможных внешних тепловых воздействий на технологические установки и защита от распространения пожара по оборудованию и коммуникациям.
В первом случае необходимо создать условия для функционирования системы предупреждения пожаров, то есть реализовать мероприятия по ограничению и ликвидации горючей среды и источников зажигания. Реализация второго направления обеспечения пожарной безопасности объекта связана с ограничением распространения пожара по газо-и нефтепроводам, газопаровоздушным средам и по розливу жидкости.
Известно, что металлические сетки и конструкции на их основе могут препятствовать распространению огня и тепловых потоков при пожарах. Этот эффект используется при установке сеточных огнепреградителей на дыхательную арматуру аппаратов с жидкостями [1]. В качестве рабочего элемента при такой защите используется металлическая сетка. При этом распространение огня через такой огнепреградитель не происходит, за счет выбора сеток с размером ячеек, близким к огнегасящему, а также благодаря высокой теплоемкости конструкции, вследствие чего огнепреградитель забирает часть тепла, выделяемого при горении. Преимуществом сеточных огнепреградителей являются доступность, малая стоимость, простота монтажа и обслуживания конструкции. К недостаткам можно отнести низкую механическую устойчивость сеток, ограниченность использования при горении различных жидкостей и газов, возможность быстрого прогорания.
Собирая пакеты из нескольких сеток можно существенно увеличить огнезащитную эффективность конструкции. Также эффективность зависит и от материала, из которого изготовлены сетки. Это обусловлено допустимым тепловым воздействием
на огнепреградитель и устойчивостью к воздействию ударной волны. Поэтому материал, используемый для производства сеточных огнепреградителей, должен обладать определенной жесткостью и термостойкостью: медь, латунь, стали, волокнистые огнестойкие материалы и т.п. [2].
Металлические сетки в качестве тепловых экранов практически не используются. Если рассматривать в качестве теплового экрана сплошную конструкцию, то плотность теплового потока от источника тепловыделения к экрану, согласно закону Стефана-Больцмана, равна [3]:
д1,э=81,э*Со[(Т1/100)4-(Тэ/100)4],
а от экрана к поверхности объекта защиты:
Яэ,2=8Э,2*С0[(ТЭ/100)4-(Т2/100)4],
где е1;Э = 1/(1/е1 + 1/еЭ - 1) - приведенная степень черноты системы «поверхность 1 - экран»; еЭ,2 = 1/(1/еЭ + 1/е2 - 1) - приведенная степень черноты системы «экран - поверхность 2».
Это обусловлено тем, что огнезащитные свойства такого экрана характеризуются степенью черноты поверхности и коэффициентом излучения (отражения). Приведенный расчет применим только для преград, обладающих сплошностью.
Использование сеток для защиты от тепловых потоков и излучения не эффективно, так как они не могут использоваться в качестве отражательных экранов (малая отражательная способность) и в качестве тепловых преград (теплоемкость металлических сеток незначительна). При тепловом воздействии металлические сетки быстро прогреваются, и уже сами становятся источником теплоизлучения [4].
Результаты проведенных натурных огневых испытаний по определению огнепреграждающей способности металлических сеток представлены на рис. 1.
□ 1 сетка □ 2 сетки
0,%
8070605040 30 20 10 0
1 1,2 1,7 2 3 4 4,5 5 9,5 14
Ь, мм
Рис. 1. Изменение огнезащитных свойств металлических сеток в зависимости от количества и размеров сеток ^ - снижение теплового потока, %; Ь - размер ячейки)
Результаты исследований показали, что чем меньше размер ячейки и больше диаметр проволоки, тем лучше сетка экранирует тепловой поток. Но, изменяя эти параметры сеточных экранов, можно лишить их главного преимущества - свободного сеточного пространства, которое дает ряд преимуществ в отличие от сплошных экранов: визуальный контроль за технологическим оборудованием или процессом, отсутствие образования взрывоопасных концентраций газов и паров в замкнутом объеме, простота конструкции и пр.
Современные разработки огнезащитных сеточных систем имеют более широкое применение-огнезащитные экраны и даже элементы огнетущащих систем. Эффективность
сеток при пожаре повышается при обдувании их воздухом или парами воды [5], использование в качестве элементов комбинированной защиты.
В последнее время активно проводится поиск новых направлений по использованию сеточных элементов в области пассивной противопожарной защиты. Одним из таких направлений является создание сеточных конструкций, обязательным элементом которых являются металлические сетки, покрытые огнезащитными вспенивающимися композициями [6].
Огнезащитные покрытия практически не изменяют основных функциональных свойств сеточных элементов при нормальных условиях работы, так как ячейки сетки остаются открытыми. Такие конструкции обладают рядом преимуществ - относительно легким монтажом, мобильностью, небольшой стоимостью и высокой огнепреграждающей способностью.
Механизм защитного действия таких элементов при пожаре состоит из двух этапов:
- при воздействии тепловых потоков огнезащитная краска вспенивается во всех направлениях со значительным увеличением объема (кратность вспенивания достигает 300 %), при этом полностью перекрывается и свободное пространство ячеек сетки;
- образующийся слой термостойкого пенококса, армированного металлической сеткой, обладает существенной механической прочностью и вследствие низкого коэффициента теплопроводности и значительной толщины может служить мощным теплоизолирующим экраном в течение длительного времени.
Экспериментальные работы проводили с плоскими сетками двух видов, сплетенных из стальной проволоки диаметром 1 и 0,8 мм с квадратными ячейками с размерами сторон 5х5 мм и 4,2х4,2 мм соответственно. Сетки покрывали двумя видами огнезащитных вспенивающихся композиций: на основе перхлорвиниловой смолы с температурой начала пенообразования 150-160 0С и на основе эпоксидной смолы с температурой вспенивания 230-240 0С. Толщина исходного покрытия составляла 0,25-0,5 мм.
Огневые испытания образцов проводили в температурном режиме «стандартного пожара» на установке, схематически изображенной на рис. 2, при этом с помощью термопар определялось изменение температур в печи, над сеткой (на расстоянии 5 мм), а в случае испытания пакета из двух сеток дополнительную термопару устанавливали и между сетками.
Рис. 2. Принципиальная схема установки
(1 - сетка с вспенивающимся покрытием; 2 - термопара; 3 - печь; 4 - газовая горелка;
5 - рассекатель пламени)
Результаты испытаний представлены на рис. 3, 4.
т, с. 1000
Рис. 3. Скорость прогрева стальных сеток, покрытых огнезащитной краской на основе перхлорвиниловой смолы
В начальный момент испытаний в течение первой минуты происходит прогрев сеток до температуры вспенивания краски. По мере того, как краска начинает вспениваться, постепенно перекрываются ячейки первой сетки, и температура защищаемой стороны падает до 60-90 0С, которая стабилизируется в течение 10-20 минут, в зависимости от кратности впенивания и скорости выгорания пенококса на первой сетке. Далее по аналогии начинает работать вторая сетка.
Время, мин
Температура в печи И Температура между 2 сеток
Температура над 2 сетками —X— Темпеатура над одной сеткой
Рис. 4. Скорость прогрева стальных сеток, покрытых огнезащитной краской
на основе эпоксидной смолы
Приведенные данные получены при огневых испытаниях в условиях теплового воздействия по стандартному режиму, характерному для горения твердых горючих материалов в замкнутом объеме. В реальных условиях изменение температуры на реальном пожаре не всегда совпадает со стандартным режимом [7].
Частным примером этого является изменение температуры при горении нефтепродуктов и других горючих жидкостей. При так называемом «режиме горения легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ)» уже в начальный момент (3 минуты) температура в зоне горения может достигать 800 0С, тогда как при стандартном режиме такая температура наступит через 25 минут [3].
Определение огнестойкости сеточных экранов в условиях горения нефтепродуктов сравнительно показано на рис. 5 при моделировании тепловых потоков двух режимов: 1 - стандартный режим горения, 2 - режим горения ЛВЖ.
Рис. 5. Время огнезащитной эффективности сеточных экранов для различных режимов нагрева
(сетка с размером ячейки 5х5 мм, диаметр проволоки 1 мм, расход лакокрасочных материалов 0,6 кг/м2, размер образцов 300х300 мм): 1 - стандартный режим нагрева; 11 - снижение температуры сеточным экраном; 2 - режим горения ЛВЖ; 21 - снижение температуры сеточным экраном;
Т и т2 - время полного перекрытия ячеек пенококсом для 1 и 2 режимов горения соответственно
Эксперименты показали, что в условиях «теплового удара», формирующегося при горении нефтепродуктов, вспенивание происходит быстрее, а, следовательно, и образование огнезащитного экрана из сетки происходит раньше.
Натурные испытания показали возможность использования огнезащищеных сеточных элементов для ограничения распространения пожара. Данные конструкции работают за счет экранирования теплового потока и низкой теплопроводности пенококса, при этом сетка служит армирующим элементом и предотвращает разрушение защитного пенного слоя конвективными потоками. Выбор огнезащитных вспенивающихся красок может быть обусловлен только кратностью вспенивания и эксплуатационными свойствами (адгезией, устойчивостью к нефтепродуктам и другим горючим жидкостям).
Перспективной областью практического применения защитных экранов на основе сеточных элементов, обработанных огнезащитными составами, является защита технологического оборудования линейных объектов (трубопроводов) нефтегазового комплекса (задвижки, контрольно измерительные приборы и пр.). Очень часто по различным причинам герметичность указанного оборудования обеспечить не удается. Предложенные экраны обеспечат продуваемость защищаемого пространства и невозможность образования взрывоопасной концентрации в закрытом объеме, а в случае угрозы пожара защитят оборудование от внешнего теплового воздействия.
Ограничение распространения пожара при этом возможно как при одностороннем его развитии, так и для защиты определенного пространства с учетом конструктивной конфигурации расположения сеток. Кроме того, данная огнезащитная конструкция может быть использована в качестве элемента пассивной системы пожаротушения, в том числе и резервуаров с нефтепродуктами.
Литература
1. Малинин В.Р., Хорошилов О.А. Огнепреграждающие утройства для защиты технологического оборудования от распространения пожара: учеб.-метод. пособие. СПб.: СПб ВПТШ МВД РФ, 1997.
2. ГОСТ Р 53323-2009. Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2009.
3. Теплотехника: учеб. для вузов / В.Н. Луканин [и др.]. М.: Высшая школа, 2009.
4. Стрижевский И.И., Заказнов В.Ф. Промышленные огнепреградители. М.: Химия, 1974. 261 с.
5. Экраны «Согда» / Н.Н. Брушлинский [и др.] // Пожарное дело. 2009. №. 12. С. 38-39.
6. Крутолапов А.С., Хорошилов О.А. Использование металлических сеток в качестве огнезащитных экранов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2009. № 8.
7. Клепоносов Н.Н., Сорокин А.И. Пожарная защита объектов нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1983.
