CC BY
6разрушается, процент термического сопротивления данной конструкции уменьшается.
По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод о том, что данная конструкция способна эффективно препятствовать тепловому потоку в течение 5-7 минут.
При экспериментальной работе со стекломагниевым листом (СМЛ) определялось: величина перфорации, при которой воздушно-механическая пена не будет выходить из конструкции через отверстия; каким термическим сопротивлением обладает конструкция, выполненная из перфорированного стекломагниевого листа, заполненная воздушно-механической пеной.
По результатам проведенных экспериментов видно, что величина перфорации плоскостей из стекломагниевого листа, существенно не влияет на время устойчивости пены в данной конструкции. Так как общая площадь перфорации на данной плоскости из стекломаг-ниевого листа составляет 10% от всей плоскости. Пена удерживается в этом объеме дольше по отношению к плоскости из металлической сетки. Результаты огневых испытаний показали, что конструкция из (СМЛ), заполненная воздушно-механической пеной средней кратности, способна поглощать тепловое излучение на 100%, препятствуя тепловому потоку в течение 12 минут. При заполнении данной конструкции пеной высокой кратности время ее термического сопротивления увеличивается на 3,3 минуты и составляет 15,3 минуты.
В виду того, что теплофизические характеристики пены изменяются со временем (распад воздушно-механической пены), необходимо построить математическую модель задачи. Распространение тепла в конструкции, наполненной средой (воздушно - механическая пена) с изменяющимися теплофизическими характеристиками во времени, определялось по начальному уравнению теплопроводности:
дТ (х,1) д дТ (х,1) .... . Л
с(Т)р(Т) д 7 = -дК(Т,^) дХ ) - *(х)Т() + /(х,1), (3)
где с(Т) - теплоемкость проводящей среды, м2 / сек2 • град; К(Т) - теплопроводность проводящей среды Вт / м • град; р(Т)- удельная плотность среды, кг / м3; /(х,1) - функция источников тепла внутри тела; q(х) - функция источников или стоков тепла внутри тела пропорциональных разности температур.
Температуру в каждой точке отрезка для заданного момента времени определяли решением системы линейных уравнений относительно неизвестных значений температуры в узлах разбиения отрезка. Затем проверили работу алгоритма на решении тестовой задачи из полученного уравнения теплопроводности:
= д-(ЦТ,г)Щ^)+/(х,0 (4)
дt дх дх .
Решение искали на отрезке х = [0,1] и по времени х = [0,10] Коэффициент теплопроводности выбирали в виде функции от времени, при этом на левой границе задано условие Дирихле - температура фиксирована, на правой - Неймана, то есть имеется теплообмен с поверхностью, с увеличением числа интервалов разбиения отрезка в четыре раза, ошибка уменьшилась почти в 10 раз.
На следующем этапе оценивали удельную теплоемкость; коэффициент теплопроводности для пены заданной кратности. Временную зависимость этих величин считали известной из результатов эксперимента. Дополнительно рассчитывалось временное изменение температуры на внутренней стенке ограждения при наличии пены. Причем отвод тепла от внутренней стенки осуществлялся из-за теплообмена с поверхности конструкций.
Приведен график рассчитанной зависимости температуры на внутренней стенке (рис.1). Наблюдается достаточно хорошее согласие с учетом того, что часть характеристик для пе-
ны экстраполировалась линейным образом от теплофизических характеристик воздуха к теплофизическим характеристикам воды. В качестве параметра для используемых теплофи-зических характеристик пены использовалось число ее кратности.
Рис. 1. График изменения температуры от времени
в конструкции из металлических сеток
55
"" 50
Коэффициент поверхностного теплообмена принят равным а = 8Вт / м2 • К и относится к типичным значениям, свойственным для металлических поверхностей в отсутствии сильной конвекции. Коэффициент теплопроводности пены принят равным X = 0,6Вт / м • К , его значение ^бусловлено лишь теплопроводностью водяной пленки в пене. Воздух в пузырьках пены ¡имееГ^оэффициент теплопроводности, составляющий величину X = 0,023Вт /м-К, которая в 30 раз меньше соответствующего значения для воды. Поэтому теплопроводностью за ©ет ^духа в данном случае пренебрегли. Для числа кратности пены ху =160 рассчитанное значение плотности пены составило р=7,55 кг/м3 Для удельной теплоемкости принята закономерность, суть которой заключается в том, что значение удельной теплоемкости напрямую связано с плотностью пены, значит и с числом кратности. Если принять линейный вариант изменения удельной теплоемкости, проводящей среды и считать, что максимальная кратность пены составляет хкг =400 то для этого значения кратности, пена почти состоит из воздуха и вклад в удельную теплоемкость проводящей среды от воды почти равен нулю. Таким образом, теплофизические характеристики пены зависят от числа ее кратности. Приведенный пример расчета (рис. 2), основан на использовании предложенных закономерностей. Нужно отметить достаточно хорошее согласие рассчитанных и экспериментальных значений температуры на внутренней стенке ограждения при наличии в качестве наполнителя стенки пены, заданной кратности.
Для расчета ограждающей конструкции, в которой в качестве стенок используется стек-ломагниевый лист, использовались следующие теплофизические характеристики составной среды. Значение теплопроводности для стекломагниевого материала принималось равным среднему значению из имеющихся в литературе значений, которые находятся в инте X = 0,8 - 0,21Вт / м • К, теплопроводность воздушно-механической пены обусловлена
лишь теплопроводностью водяной пленки. Плотность стекломагниевого листа ной =1000 кг/м3 Плотность пенного заполнителя, как и в предшествующим
ентальные данные
словлена числом кратности пены. Удельная теплоемкость стекломагниевого лис§^принйта1е ДЭННЫв равной с=800Дж / кг • К, а теплоемкость пены, определялась числом ее кратности. Представлена временная зависимость температуры на внешней стенке ограждения, заполненного пеной средней кратности, и набор экспериментальных точек (см. рис.2).
Анализ теоретических расчетов конструкции из СМЛ показывает, что основное падение температуры происходит в пенном слое на расстоянии = 20-30 см, что позволяет заметным образом сократить расход пены, так как остальная часть ограждающей конструкции работает в низком интервале перепада температур.
— 24,5
24
-23у5-
-23-
22,5
■ 22 " « 21,5
Q. 21
Рис. 2. График изменения температурырт времени в конструкции из стекломагниевого лйШ^ а. 20
Таким образом, в процессе теплофизического раСчета^ойрана методика, с помощью которой можно определить время термического сопротивления исследуемых устройств в зависимости от начальных условий, что позволяет оцдуить их технико-экономические показатели в зависимости от каждого конкретного случая. Пр|дс|авлена краткая сравнительная характеристика двух разработанных конструкций предназначенных для поглощения теплового излучения при пожарах (табл.2). 17 5
Таблица 2
17
Краткая сравнительная характеристика конструкций
Показатель Конструкция из металлических сеток Конструкция из СМЛ
Время устойчивости пены при воздействии температуры, мин 0 5 100 15
Требуемое количество пенообразователя для заполнения 1 м3 пеной, л 0,4 0,4
Количество раз подаваемой новой порции пены* 12 5
Общее количество пенообразователя , л 4,8 2
Стоимость, р'/м3 1600 370
Количество раз подаваемой новой порции пены и общее количество пенообразователя рассчитывалось при условии воздействия температуры на конструкцию 1 м3 в течение 60 минут.
Разработанные устройства способны поглощать тепловое излучение, однако, при использовании конструкций, выполненных из металлических сеток, потребуется большее количество пенообразователя. Кроме того, в конструкцию из СМЛ можно подавать воздушно-механическую пену высокой кратности. В связи с этим для защиты от теплового излучения при пожаре рекомендуется использовать конструкции, выполненные из перфорированного стекломагниевого листа.
Экспериме Расчетные
Список литературы
1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. школа, 1980. - 469 с.
2. Патент РФ № 2247584. Способ создания противопожарной завесы и экранирующее устройство/ опубл. 2005.03.10, индекс A62C2/08. Авторы: Брушлинский Н.Н., Серебренников Е.А., Копылов Н.П., Усманов М. Х., Ерохин С. П., Орлов Л. А., Забегаев В. И.
3. Патент РФ № 2182025. Огнезащитное ограждение /опубл 2002.05.10. индекс A62C2/08. Авторы: Усманов М. Х., Брушлинский Н.Н. и др.
4. Патент РФ № 2182024. Способ ослабления потока энергии в виде света, тепла и конвективных
газовых потоков и устройство к лафетному стволу для создания защитного экрана от потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков/ опубл. 2002.05.10. индекс A62C35/68. Авторы: Усманов М.Х., Брушлинский Н. Н., Аблязис Р. А., Касымов Ю. У., Копылов Н. П., Садыков Ш. Н., Серебренников Е. А., Сабиров М., Худоев А. Д.
5. Патент РФ № 2156628 Способ создания противопожарной завесы/опубл. 2000.09.27. индекс А62С2/08.Аавторы: Усманов М. Х., Брушлинский Н. Н., Копылов Н. П. и др.
Сведения об авторах
Барановских С. А., аспирант, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452) 41-70-25
Иванов В. А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452)41-70-25, е-mail:cafedra@ngas.ru
Barakovskyh S. A., post graduate student, Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 41-70-25
Ivanov V. A., Doctor of Technical Sciences, professor, Head of Department «Construction and repairs of oil-and-gas facilities», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452)41-70-25, е-mail: cafedra@ngas.ru
УДК 614.841
ОГНЕЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ТЕРМОСТОЙКИХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
А. Ю. Акулов, А. В. Аксенов
(ГОУ ВПО Уральский институт ГПС МЧС России;
Тюменский государственный нефтегазовый университет)
Ключевые слова: металлоконструкции нефтегазового комплекса, огнезащита,
минеральные заполнители Keyword: metal constructions in petroleum complex, fire protection, mineral fillers
Необходимость повышения огнестойкости стальных конструкций, используемых в газовой отрасли, возникает из-за несоответствия предела огнестойкости фактического (Поф) к пределу огнестойкости, требуемому (Потр), вследствие недостаточной огнестойкости металлических конструкций: Поф > Потр - не выполняется [1]. В условиях воздействия высоких температур металлические конструкции показывают фактический предел огнестойкости (Поф) в среднем 15 минут, при требуемых значениях до 240 минут. По этим причинам необходимо увеличение фактического значения огнестойкости до заданных параметров. Увеличение огнестойкости конструкций возможно нанесением на них различных огнезащитных составов. Для этого проведен анализ существующих способов огнезащиты металлических конструкций, определены основные направления исследований и разработки огнезащитного состава.
Проведенный анализ существующих вспучивающихся огнезащитных составов отечественных и зарубежных производителей показал следующее. Покрытие с низкой теплопроводностью наносят тонким слоем на поверхность конструкции, которое при повышении температуры до 150 - 200 0С вспучивается и образует пористый теплоизолирующий слой на поверхности защищаемой конструкции, толщина составляет от 2 до 4 сантиметров. Благодаря низкой теплопроводности, пористый слой предотвращает быстрый нагрев металла.
Такой огнезащитный слой позволяет некоторое время не прогреваться металлической конструкции до наступления одного или нескольких предельных состояний по огнестойкости [2 - 4].
Наряду с большим количеством положительных сторон огнезащитные вспучивающиеся краски обладают рядом недостатков. К ним относятся: относительно низкая огнестойкость (до 75 минут), при требуемых значениях до 240 минут [2 - 4]; покрытия наносятся на заранее подготовленную поверхность (зачищенные, обезжиренные, обработанные антикоррозийными составами); низкие адгезионные свойства составов при нормальных условиях и при вспучивании; нанесение на поверхность только в условиях положительных температур и нормальной влажности; «работа» составов в условиях влажности до 85 %; многокомпози-ционность и сложность составов; токсичность при нормальных условиях; токсичность ле-
