ОГНЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЗАЩИТНОЙ СТЕНКИ РЕЗЕРВУАРА ТИПА "СТАКАН В СТАКАНЕ" ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК ОТ ПОЖАРА В ОСНОВНОМ РЕЗЕРВУАРЕ Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 614.841.4

DOI 10.25257/FE.2019.1.25-31

РУБЦОВ Дмитрий Николаевич Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: aiaks.82@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: aubez@mail.ru

ОГНЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЗАЩИТНОЙ СТЕНКИ РЕЗЕРВУАРА ТИПА «СТАКАН В СТАКАНЕ» ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЁ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК ОТ ПОЖАРА В ОСНОВНОМ РЕЗЕРВУАРЕ

В статье приведено описание впервые выполненных огневых испытаний защитной стенки модели нефтяного резервуара стального с защитной стенкой типа «стакан в стакане» (РВСЗС). Представлено обоснование выбора сценария пожара, при котором моделируется процесс нагрева защитной стенки. Также приведена постановка задач экспериментальных исследований, условия их выполнения, методика и полученные результаты.

Ключевые слова: защитная стенка, модель, нефтепродукт, огневые испытания, пожар, резервуар, стенд, эксперимент.

Проблема необходимости изучения поведения защитной стенки (ЗС) нефтяного резервуара типа «стакан в стакане» в условиях углеводородного пожара поднималась в работах [1-3]. Так, сотрудниками кафедры пожарной безопасности технологических процессов Академии ГПС МЧС России была впервые проведена серия огневых испытаний защитной стенки на спроектированной и реализованной модели РВСЗС [2, 3].

В работе [1] представлены сформулированные сценарии возможных пожаров на РВСЗС. Развитие пожара как в границах резервуаров с защитной стенкой, так и за пределами этих границ зависит от огнестойкости защитной стенки и мощности очага пожара. Для РВСЗС возможны четыре основных варианта развития пожара, при которых горение не распространяется за границы защитной стенки резервуара:

- пожар по всей поверхности основного резервуара;

- пожар в межстенном пространстве при локальной разгерметизации корпуса основного резервуара;

- пожар по всей поверхности основного резервуара и в межстенном пространстве при образовании явления выброса или вскипания;

- пожар в объёме защитного резервуара при разливе продукта в случае полного разрушения основного корпуса резервуара.

В нормативном документе межотраслевого применения СТО СА 03-002-2009 «Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти

© Рубцов Д. Н., Егоров А. Н., Рубцов В. В., 2019

и нефтепродуктов» приводятся требования к проектированию систем противопожарной защиты на резервуарах для нефти и нефтепродуктов, в соответствии с которыми резервуары должны проектироваться на основании двух возможных сценариев развития аварийной ситуации:

- пожар резервуара внутри его корпуса (без разрушения стенки и днища) при условии наличия на резервуаре стационарной крыши взрывозащищённо-го исполнения или аварийных клапанов;

- для резервуара с защитной стенкой происходит разрыв основной стенки резервуара, что влечёт за собой разлив продукта в объёме защитного резервуара при условии наличия в проекте резервуара детальных расчётов защитной стенки резервуара на гидродинамическое воздействие и полное удержание волны жидкости, образующейся при разрушении основного резервуара.

Однако случай пожара резервуара типа «стакан в стакане», произошедший на Гданьском НПЗ [4] в Польше, подтверждает, что для РВСЗС необходимо рассматривать и первый (классический) сценарий, указанный в работе [1] и в СТО СА 03-002-2009. Фрагмент пожара представлен на рисунке 1. Данные о влиянии пламени пожара в основном резервуаре на защитную стенку в описании пожара не были представлены.

Перечисленные сценарии являются самостоятельной научной задачей. В работе [1] освещается решение задачи по первой классической модели пожара, когда горение происходит по всей поверхности основного резервуара, принципиальная схема которой представлена на рисунке 2 [1].

25

Рисунок 1. Пожар на РВСЗС 20 000 м3 на Гданьском НПЗ, Польша

Рисунок 2. Принципиальная схема к определению теплового воздействия на защитную стенку при пожаре в основном резервуаре:

1 - стенка основного резервуара; 2 - защитная стенка; q - тепловой поток действующий на защитную стенку при пожаре в основном резервуаре

Указанная модель пожара предполагает воздействие теплового потока пожара на основную и защитную стенки резервуара. Опыт тушения пожаров в резервуарах показывает, что основную стенку необходимо будет защищать от воздействия высокой температуры для обеспечения её устойчивости. Сила теплового воздействия на защитную стенку от пожара в основном резервуаре в настоящий момент не установлена [1], однако ответ на этот вопрос даст серия огневых испытаний.

ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальное исследование ставится для:

- оценки влияния тепловых нагрузок пожара, падающих на корпус ЗС при пожаре в основном

резервуаре за счёт установления распределения на ней температурных полей, что позволит изучить нестационарный процесс нагрева [5] защитной стенки;

- внесения, при необходимости, корректировок в математическую модель [6], а также для проведения процедуры её верификации на адекватность исследуемого физического процесса, что позволит говорить о возможности её применения в любом диапазоне номенклатурного ряда резервуаров с защитной стенкой;

- получения данных, позволяющих сделать теплотехнический расчёт, необходимый для обоснования, согласно п.12.3.4. СТО СА 03-002-2009, интенсивности или удельной интенсивности подачи воды на охлаждение горящего резервуара и соседнего с горящим резервуара. Этот стандарт допускает принятие количественных значений интенсивности подачи воды на охлаждение по нормам проектирования резервуарных парков. Однако проведённый ранее анализ требований, изложенных в нормативных документах по пожарной безопасности, в части, касающейся интенсивности охлаждения водой защитных стенок резервуаров, выявил их отсутствие.

Необходимо отметить, что в результате решения теплотехнической задачи определяется время нагрева металла от начала действия пожара до достижения в расчётном сечении критической температуры, т. е. решение теплотехнической задачи позволяет определить фактический предел огнестойкости конструкции [7], в том числе защитной стенки резервуара.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОГНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ

П

ри разработке методики проведения огневых испытаний был использован ранее накопленный опыт в этой области исследований. Моделирование теплового воздействия очага пожара на защитную стенку модельного резервуара осуществлялось в полигонных условиях.

Для получения турбулентного режима горения пламени нефтепродукта применялся модельный

Рисунок 3. Тепловизор фирмы NEC Thermo Tracer ТН7800

резервуар объёмом 1,5 м3, характеристики которого подробно описаны в работе [2].

Для проведения огневых испытаний разработана частная методика исследования, согласно которой для выявления функциональной зависимости температуры нагрева защитной стенки от времени при пожаре в основном резервуаре необходимо определить общее количество опытов, которое будет считаться достаточным. В рамках разработки методики проведения исследования было установлено, что их общее и достаточное количество составит N = 12 опытов [8].

При проведении огневых испытаний интерес представлял поиск следующих величин: температуры корпуса защитной стенки модельного резервуара; времени теплового воздействия; скорости ветра; объёма горючей жидкости (ГЖ), участвующей в эксперименте.

Для измерения температурных полей на защитной стенке был использован тепловизор фирмы NEC Thermo Tracer TH7800 (рис. 3). Погрешность измерений составляет ± 2 % от показания. Диапазон измеряемых температур находится в пределах от -20 до +1 000 °C.

Также на корпусе защитной стенки были нанесены координатные точки, позволяющие фиксировать значение температуры в определённой координате плоскости защитной стенки, показанные на рисунке 4.

Для измерения естественной и искусственно создаваемой скорости движения воздушных масс был использован цифровой анемометр ТКА-ПКМ 50. Диапазон измерения скорости движения воздуха составляет 0,1^20 м/с.

Для искусственного создания воздушного потока был использован осевой вентилятор с вращающимся статором YWF4E SC-630 и хонейкомбом, который представляет собой сотообразную решётку, предназначенную для выравнивания поля скоростей и турбулентности воздушного потока.

Рисунок 4. Координаты точек фиксации температур

При проведении огневых испытаний проводилось визуальное наблюдение, а также фото- и видеосъёмка процесса. Время теплового воздействия фиксировалось секундомером.

Данные, полученные в экспериментах, фиксировались в протоколах проведения огневых испытаний:

- дата и время проведения испытаний, метеорологические условия, скорость ветра (0, 3, 5 м/с), а также начальная температура внутренней и защитной стенок;

- вид (бензин АИ-92, гептан, дизельное топливо) и объём горючей жидкости (ГЖ);

- высота уровня взлива ГЖ;

- массовая скорость выгорания ГЖ;

- объём воды для создания водяной подушки.

Объём горючей жидкости определялся, исходя

из необходимой продолжительности горения, а водяная подушка обеспечивала постоянную скорость горения и снижала прогрев дна модельного резервуара.

Воздействию теплового излучения подвергал -ся сам модельный резервуар и его защитная стенка. Время теплового воздействия в экспериментах составляло 600 с. Необходимо отметить, что в одном из экспериментов время нагрева составило 2 700 с.

Методика проведения огневых испытаний предусматривала определённую последовательность действий, заключающихся в установке и наладке экспериментального стенда с измерительной аппаратурой и подготовке протоколов испытаний.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Было проведено тринадцать испытаний, включая качественный эксперимент, служащий для отработки техники проведения эксперимента и наладки испытательной аппаратуры. На рисунках 5, 6 представлены фотофрагменты проведения испытаний при разных скоростях ветра.

Видно, что при проведении огневых испытаний образование сажевых частиц наблюдается только у вершины пламени жидкости, участвующей в эксперименте, или они вовсе не образовывались, следовательно, они не могли влиять на снижение степени нагрева защитной стенки.

Для определения связи между данными, полученными в ходе проведения экспериментальных исследований, необходимо установить природу этой связи в целях дальнейшей возможности проведения прогностических оценок. Если есть одна зависимая переменная (или отклик у), которая зависит от независимых переменных х1, х2, ..., хь, то связь между этими переменными характеризуется математической моделью, которая называется уравнением регрессии или регрессионной моделью. Эта модель должна аппроксимировать совокупность экспериментальных данных [9].

Данную процедуру выполнили с помощью статистической обработки данных, полученных при проведении экспериментальных исследований нагрева защитной стенки модельного резервуара.

Рисунок 5. Огневые испытания при штиле Рисунок 6. Огневые испытания при скорости ветра 3 м/с

Сама статистическая обработка была проведена наиболее распространённым видом регрессионного анализа - методом наименьших квадратов [10] с использованием программного обеспечения Microsoft Excel.

В результате регрессионного анализа экспериментальных данных получены эмпирические зависимости (рис. 7—9) для расчёта изменения температурных значений по высоте модели защитной стенки в зависимости от времени её нагрева, а также зависимости средних значений температуры нагрева защитной стенки от пламени пожара различных видов

топлива (рис. 10). На рисунках 7-9 приведены зависимости, полученные при горении дизельного топлива при скорости ветра 3 м/с.

Полученные эмпирические зависимости, представленные на графиках, имеют логарифмический вид, что свидетельствует о быстром росте температурных значений с её дальнейшей стабилизацией. Среднее значение коэффициента детерминации или корреляции Яг составляет порядка 0,95, что показывает тесную связь между полученными экспериментальными данными и свидетельствует о том,

Время т, мин

Рисунок 7. График зависимости температуры нагрева защитной стенки от времени для координатных точек 1, 2, 3:

+ - точка 1 (у = 96.211п(х) + 44,81; R2 = 0,979); ■ - точка 2 (у = 47,821п(х) + 42,02; R2 = 0,963); ▲ - точка 3 (у = 30,751п(х) + 40,95; R2 = 0,956)

Время т, мин

Рисунок 8. График зависимости температуры нагрева защитной стенки от времени для координатных точек 4, 5, 6

♦ - точка 4 (у = 92,5881п(х) + 63,301; Я2 = 0,9846); ■ - точка 5 (у = 53,221п(х) + 48,83; Я2 = 0,967); А - точка 6 (у = 341п(х) + 43,16; Я2 = 0,959)

Время т, мин

Рисунок 9. График зависимости температуры нагрева защитной стенки от времени для координатных точек 7, 8, 9;

+ - точка 7 (у = 101,091п(х) + 53,546; Я2 = 0,9651); ■ - точка 8 (у = 52,171п(х) + 43,491; Я2 = 0,9452); ▲ - точка 9 (у = 37,631п(х) + 39,89; Я2 = 0,974)

Время т, мин

Рисунок 10. График зависимости температуры от времени нагрева защитной стенки с применением различных видов топлива:

^ - бензин Аи-92; ■ - гептан; А. - дизельное топливо

что параметры полученной модели на 95 % объясняют зависимость искомой функции - температуры нагрева защитной стенки от времени.

Во всех уравнениях регрессии связь между переменными высокая. С помощью полученных уравнений можно расчётным методом спрогнозировать температуру нагрева защитной стенки в зависимости от времени для рассмотренной модели резервуара. В формулах, представленных на графиках, первая цифра является показателем наклона линии регрессии по отношению к осям прямоугольных координат, х - аргумент, для которого определяется искомая функция; последняя цифра является показателем смещения. Если значения получают небольшое смещение, то это говорит о правильности модели.

В данной работе была впервые проведена серия огневых экспериментов на спроектированной модели РВСЗС. Были получены данные по распределению температуры на защитной стенке, которые позволят

провести дальнейшее изучение нестационарного процесса нагрева защитной стенки резервуара.

Статистическая обработка опытных данных позволила получить эмпирические зависимости, позволяющие прогнозировать аналитическим расчётом температуру нагрева защитной стенки.

Температурный диапазон, полученный в экспериментах, позволяет сравнить его с результатами математического моделирования и сделать вывод об адекватности разрабатываемой математической модели. В случае доказательства её адекватности, с её помощью можно будет прогнозировать изменение температуры на защитной стенке при пожаре в основном резервуаре в зависимости от времени для расширенного номенклатурного ряда РВСЗС.

Численное моделирование динамики температуры позволит решить теплотехническую задачу устойчивости защитной стенки при пожаре, связанной с определением её напряжённо-деформированного состояния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рубцов Д. Н, Шалымов М. С. О развитии пожара в резервуаре типа «стакан в стакане» с нефтью и нефтепродуктами [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2016. №. 3 (67). С. 74-81. Режим доступа: https://elibrary.ru/ сойей8.а8р?1а=34473084 (дата обращения 12.03.2019).

2. Рубцов Д. Н, Егоров А. Н, Рубцов В. В. Модель резервуара типа «стакан в стакане» для выполнения огневых испытаний его защитной стенки // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2018. № 2. С. 22-25. 001: 10.25257/РБ.2018.2.22-25 (дата обращения 12.03.2019).

3. Рубцов Д. Н., Егоров А. Н. Обоснование необходимого и достаточного диаметра модельного резервуара типа «стакан в стакане» для выполнения огневых испытаний защитной стенки // Безопасность жизнедеятельности. 2018. № 8. С.41-47.

4. Волков О. М. Пожарная безопасность резервуаров с нефтепродуктами. Монография. СПб.: Политехнический университет, 2010. 398 с.

5. Кошмаров Ю. А, Башкирцев М. П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. Учебник. М.: Высшая инженерная пожарно-техническая школа МВД СССР, 1987. 440 с.

6. 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-спасатель-ная Академия ГПС МЧС России, 2018. С. 389-392.

7. Демёхин В. Н., Мосалков И. Л., Плюснина Г. Ф., Серков Б. Б., Фролов А. Ю, Шурин Е. Т. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре. Учебник / под ред. И. Л. Мосалкова. М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. 656 с.

8. Волосухин В. А, Тищенко А. И. Планирование научного эксперимента. Учебник. 2-е изд. М.: РИОР; ИНФРА-М, 2014. 176 с.

9. Сидняев Н. И. Теория планирования эксперимента и анализ статистических данных. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2014. 495 с.

10. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. Учебник. 11-е изд. М.: КНОРУС, 2010. 664 с.

Материал поступил в редакцию 5 марта 2019 года.

Vladimir RUBTSOV

Ph.D. in Engineering, Senior Research Assistant State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: aubez@mail.ru

Andrei EGOROV

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: Stinger1010@yandex.ru

Dmitry RUBTSOV

Ph.D. in Engineering, Associate Professor

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

E-mail: aiaks.82@gmail.ru

FIRE TESTS OF THE PROTECTIVE WALL OF THE

«GLASS IN GLASS» TANK TYPE WHEN EXPOSED TO HEAT FROM THE FIRE IN THE MAIN TANK

ABSTRACT

Purpose. The article clarifies the experimental research which is carried out for estimating the impact of heat load affecting the protective wall framework during a fire in the main tank as well as verifying the mathematical model validity of the analyzed physical process.

Methods. In order to carry out the experimental study we have worked out the particular research method which allows defining functional dependence of heating temperature of the protective wall on the time at a fire in the main tank. The article describes fire tests conditions as well as instrumental base.

Findings. As a result of regression analysis of experimental data we have obtained the empirical dependences for calculating temperature values change

according to height of the protective wall type depending on its heating time.

Research application field. The results obtained in the experiment will allow us to verify the mathematical model being developed.

Conclusions. As a result of the work, a series of fire experiments on the designed tank of «glass in glass» type has been conducted for the first time. The experiments resulted in collecting data on distributing temperature along the protective wall which will allow us to carry out further research of transient heating of the tank protective wall.

Key words: protective wall, type, oil product, fire tests, fire, tank, testing bench, experiment.

REFERENCES

1. 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: https://elibrary.ru/contents.asp?id=34473084 (accessed March 12, 2019). (in Russ.).

2. Rubtsov D.N., Egorov A.N., Rubtsov V.V. "Tube-inside-tube" vessel model for carrying out fire testing of its protective wall. Pozhary i chrezvychaynye situatsii:predotvrashchenie, likvidatsiia, 2018, no. 2, pp. 22-25. DOI: 10.25257/FE.2018.2.22-25 (in Russ.).

3. Rubtsov D.N., Egorov A.N. Justification of Necessary and Sufficient Diameter Model Tank Type "Glass in Glass" for Performing Fire Tests of Protective Wall. Bezopasnost zhiznedeyatelnosti, 2018. no. 8. pp. 41-47. (in Russ.).

4. 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.

5. 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.

6. 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 inzhenernykh sistem obespecheniyapozharnoj bezopasnosti ob»ektov" [Proceeding 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 EMERCOM of Russia Publ., 2018, pp. 389-392. (in Russ.).

7. Demekhin V.N., Mosalkov I.L., Plyusnina G.F., Serkov B.B., Frolov A.Yu., Shurin E.T. Zdaniya, sooruzheniya i ikh ustoychivost pri pozhare [Buildings, constructions and their resistance in case of fire]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2003. 656 p.

8. Volosukhin VA., Tishchenko A.I. Planirovanie nauchnogo eksperimenta. [Planning a scientific experiment]. Moscow, RIOR; INFRA-M Publ., 2014. 176 p.

9. Sidnyaev N.I. Teoriya planirovaniya eksperimenta i analiz statisticheskikh dannykh [The theory of experiment planning and analysis of statistical data]. Moscow, Urait Publ., 2014. 495p.

10. Venttsel E.S. Teoriya veroyatnostey. 2-e izd., ispr. i dop. [Probability theory. 2nd., rev. and add.]. Moscow, KNORUS Publ., 2010. 664 p.

© Rubtsov D., Egorov A., Rubtsov V., 2019

31