СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРАТНОСТИ ПЕНЫ ПРИ ПОДАЧЕ ИЗ ВОЗДУШНО-ПЕННЫХ И ЛАФЕТНЫХ СТВОЛОВ С ПЕННЫМИ НАСАДКАМИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 614.843.8

DOI 10.25257/FE.2019.4.57-61

ОЛЬХОВСКИИ Иван Александрович Кандидат технических наук Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]

ФЕЩЕНКО Александр Николаевич

Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]

МЕЖЕНОВ Владимир Алексеевич

Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]

СКВОРЦОВ Сергей Сергеевич

ООО «Коруфайер», Москва, Россия E-mail: [email protected]

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРАТНОСТИ ПЕНЫ ПРИ ПОДАЧЕ ИЗ ВОЗДУШНО-ПЕННЫХ И ЛАФЕТНЫХ СТВОЛОВ С ПЕННЫМИ НАСАДКАМИ

В статье затрагивается проблема определения кратности пены, подаваемой на тушение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей при пожарах в резервуарах с нефтепродуктами. Проведён анализ методик оценки кратности низкократных пен, по результатам которого предложена перспективная методика определения кратности пены непосредственно на выходе из прибора подачи, позволяющая в будущем повысить эффективность работы сертификационных органов и усовершенствовать расчёты сил и средств при формировании документов предварительного планирования.

Ключевые слова: пожар, нефть, резервуар, пена, кратность пены, пеногенератор, лафетный ствол.

Основным средством тушения пожаров в резервуарах с легковоспламеняющимися или горючими жидкостями является пена средней и низкой кратности, подаваемая на поверхность горючей жидкости. Для тушения нефти и нефтепродуктов применяются отечественные и зарубежные пеногенераторы и пенообразователи, а также современные стволы с функцией изменения расхода и геометрии струи (рисунок 1) [1, 2].

Генераторы пены средней кратности обеспечивают подачу раствора не далее чем на 12 м (рисунок 2), что не позволяет их применять с безопасного для личного состава пожарной охраны расстояния, а для подачи требуются специальные пожарные автомобили (автоколенчатые подъёмники, автолестницы, пеноподъёмники), установка которых в резервуарных парках затруднена (обвалования резервуаров, подводящие трубопроводы, ветровая нагрузка) и при пожаре приводит к дополнительным осложнениям.

Для тушения пожаров на «безопасном» расстоянии применяют пену низкой кратности, которую подают в слой горючей жидкости или на поверхность из воздушно-пенных стволов или лафетных стволов с пенным насадком. Определение низкократной пены, согласно действующим нормативным документам, проводится по методике, в которой учитывается ствол, позволяющий обеспечить объёмный расход раствора 0,166±0,001 дм/с при давлении 0,58±0,02 МПа.

В предыдущих исследованиях особое внимание уделено одному из главных факторов, характерных для процесса получения противопожарной пены - показателю предельного давления, под которым раствор подаётся в генератор пены. Было определено, что при превышении 5-6 атм возможен «срыв» пенообразования. Однако испытания воздушно-пенных и лафетных стволов с пенными насадками при давлении раствора пенообразователя в 1 0 атм, проведённые авторами настоящей статьи, показали, что на данных стволах пенообразование происходит.

© Ольховский И. А., Фещенко А. Н., Меженов В. А., Скворцов С. С., 2019

57

При испытаниях кратности по существующей методике в процессе отбора пены в ёмкость её соударение со стенками в результате высокого напора приводит к дополнительному пенообразованию из-за барботирования воздухом [3, 4]. В связи с этим значения кратности увеличиваются в несколько раз. Таким образом, необходимо предложить такую методику определения кратности низкократной пены, при которой измерение будет происходить непосредственно на выходе пены из ствола.

Так как пена является двухфазной дисперсной структурой, состоящей из раствора пенообразователя и воздуха [5], для её формирования используется эжекционный пенный насадок, через отверстия в начале которого подсасывается воздух за счёт эффекта Вентури (рисунок 3).

Методика, изложенная в ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний», не позволяет достоверно оценить кратность низкократной пены, подаваемой ствольной техникой. Связано это, прежде всего, с тем, что в данном нормативном документе для определения кратности пены используется весовой, или объёмный, метод.

Показатель кратности пены на выходе из ствола является одним из важнейших параметров. Однако при его оценке с помощью существующих методик не учитывается синерезис пены, то есть выделение жидкой фазы из дисперсной структуры пены, сопровождающееся уменьшением её объёма. Также при измерении кратности объёмным способом не учитывается барботирование пены - процесс пропускания газа или пара через слой жидкости.

При тушении пожаров на объектах нефтегазовой отрасли, в частности, в резервуарах хранения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей,

воздействие двух этих факторов изменяет объёмы пены. В месте попадания струи воздушно-механической пены на зеркало горения пена барботирует в объёме поверхностного слоя нефти, а в её составе происходит процесс синерезиса, следовательно, пена меняет свою кратность, значения которой не будут коррелироваться с экспериментальными показателями, полученными в лабораторных условиях.

Обозначенная проблема свидетельствует о необходимости разработки альтернативной методики определения кратности пены из стволов воздушно-пенных и стволов с пенным насадком.

В настоящее время компании-производители ствольной техники используют экспериментальный метод при конструировании воздушно-пенных или лафетных стволов с пенным насадком. В связи с этим и с учётом указанной выше проблемы предлагается использовать разработанную авторами методику для определения необходимого количества отверстий в воздушно-пенных или лафетных стволах с пенным насадком, принимающую в расчёт значение массового расхода воздуха, поступающего из отверстий [6].

Данные расчёты можно использовать применительно к пенным стволам (насадкам), так как раствор, с высокой скоростью потока попадая в камеру смешения, увлекает за собой массы воздуха. Заполнение образовавшихся пустот воздухом происходит через отверстия в стенке камеры смешения за счёт разности давлений за пределами камеры смешения (атмосферное) и в полости камеры (пониженное). Так как в камере смешения создаётся область низкого давления, а на выходе из камеры для воздуха и для раствора оно уравнивается, то можно сделать вывод, что на уровне сечений отверстий в стенке камеры давление равно величине разрежения по модулю Р] = Р2 (рисунок 4) [7-11].

Воздух

Воздух

Рисунок 3. Эффект Вентури, создаваемый в стволах с воздушно-пенным насадком:

1 - корпус пенного насадка; 2 - отверстия в пенном насадке для подсоса воздуха; 3 - диффузор; 4 - сопло; 5 - соединительная головка

Рисунок 4. Показатели давления в области камеры смешения

где т - массовый расход газа, кг/с; С - поправочный коэффициент по пропускной способности отверстия (принимаем равным 1); А - площадь сечения отверстия, м2, Р - абсолютное давление газа перед отверстием, Па = Н/м2 = кг/(м-с2); М - молекулярная масса, кг/кмоль (для воздуха принимаем 0,029 кг/моль); 1 - коэффициент сжимаемости при определённых давлении и температуре (для воздуха принимаем равным 1); Я - универсальная газовая постоянная, равная 8,3145 (Н-м)/(моль-К); Т- температура газа перед соплом, К; к - коэффициент удельной теплоёмкости, определяемый по формуле:

к = ср/см,

где ср - удельная теплоёмкость при постоянном давлении (для воздуха равна 29,12 Дж-моль_1-К_1); су -удельная теплоёмкость при постоянной температуре (для воздуха равна 20,8 Дж-моль^'-К-1).

Выражаем из формулы (3) абсолютное давление газа перед отверстием:

Для проверки предложенной методики проведено исследование с использованием воздушно-пенных стволов и стволов с пенными насадками, создающих пену низкой кратности.

Кратность пены, выражаемая отношением объёма пены к объёму раствора [1], будет равна:

V

^_ г пены

V =У -V ,

возд пены р~ра

где Упены - объём пены, образующийся за 1 с, м3(л); V - объём раствора, образующийся за 1 с, м3(л). Объёмный расход воздуха необходимо пере-

вести в массовый:

т = V р,

возд^ 1

где р - плотность воздуха, равная 1,2 кг/м3.

В зависимости от количества и диаметра отверстий для пропуска воздуха в пенном насадке находится общая площадь их сечения:

А =

п(12

где с/ - диаметр отверстия, м2; п - число отверстий.

Массовый расход идеального газа через отверстие можно рассчитать по следующей формуле [8]:

т = САР,

' кМ 7ЯТ

Р =

т

СА,

ГШ \\ZRT

2

(*+1)

(1)

Для начала определяется объём воздуха, содержащийся в объёме пены, создаваемой стволом с пенным насадком:

(2)

(3)

По данной методике были проведены расчёты для воздушно-пенных стволов и стволов с пенными насадками, итоговые значения которых коррелиру-ются с реальными показателями, что позволяет сделать вывод, что при подаче пены из стволов данного типа в полости пенного насадка должно создаваться разрежение, равное 0,02-0,03 МПа.

Отсюда следует, что при подстановке данного показателя в формулу (3) можно рассчитать размеры отверстий в камере смешения для формирования пены низкой кратности.

По предложенной методике были проведены расчёты отверстий пенного насадка для лафетного ствола (рисунок 5). Результаты испытаний показали, что на выходе из ствола с пенным насадком образуется пена низкой кратности не менее 7, при расходе раствора 80 л/с и напоре 100 м вод. ст.

С учётом вышеизложенного материала обоснуем устройство, позволяющее определить кратность пены непосредственно на выходе из пенного насадка ствола / {рисунок 6).

Устройство будет представлять из себя корпус кубической (шарообразной или иной) формы 2, с отверстиями для установки на пенный насадок ствола, к корпусу с двух сторон подведены два воздушных трубопровода 3, соединяющиеся в один 5.

Анемометром 4 измеряется скорость воздуха. При известной скорости потока подсасываемого воздуха и с учётом величины сечения входного трубопровода 5 определяем расход воздуха:

О =и со,

я 7

где ив - скорость потока воздуха, м/с; со - площадь поперечного сечения трубопровода, м2.

С учётом значения объёмного расхода воздуха для формирования пены и расхода раствора, исходящего из сопла прибора подачи, определяем значения объёма пены (Упены) из формулы (2), это позволит по формуле (1) рассчитать кратность пены на выходе из пенного насадка ствола.

В дальнейшем авторами планируется апробирование описанной методики. Применение методики позволит наиболее точно устанавливать кратность воздушно-механической пены, подаваемой из ствольной техники, а также определять оптимальную конструкцию ствола (сечение и количество отверстий для создания кратности).

Оценка характеристик воздушно-пенных и лафетных стволов с пенными насадками с использованием предлагаемой методики обеспечит возможность:

Рисунок 5. Лафетный ствол с пенным насадком, рассчитанным по предложенной методике

Рисунок 6. Схема устройства для измерения объёмного расхода воздуха: 1 - пенный насадок лафетного ствола; 2 - корпус кубической формы; 3 - воздушный трубопровод; 4 - анемометр; 5 - входное отверстие в воздушном трубопроводе; 6 - потоки воздуха

- производить расчёты сил и средств по достоверным показателям ствольной техники в документах предварительного планирования;

- осуществлять эффективное и безопасное, с расстояния до 100 м, тушение пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей на объектах нефтегазовой отрасли.

Следует также отметить, что применяемое для оценки кратности устройство позволит вводить в состав пены различные ингибирующие газообразные вещества, определение огнетушащей эффективности которых требует дополнительных исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гайнуллина Е. В., Якубова Т. В., Кректунов А. А. Исследование возможности улучшения огнетушащих свойств воздушно-механических пен // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2015.№ 1-1(6). С. 77-78.

2. Горбунов А. С., Дупляков Г. С. Исследование огнетушащих свойств воздушно-механических пен // Мат-лы всероссийской молодёжной науч.-техн. конф. нефтегазовой отрасли «Молодая нефть». Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2016. С. 216-218.

3. ВоликА. С., Хабиров Т. Р. Тактико-техническое обеспечение тушения пожаров на объектах нефтегазового комплекса модифицированными воздушно-механическими пенами // Проблемы управления рисками в техносфере. 2018. № 3(47). С. 107-110.

4. ВоликА. С., Речкин В. И., Хальченко Т. П. Новые технологии получения воздушно-механической пены при тушении пожаров // Природные и техногенные риски. 2019. № 2 (30). С. 39-42.

5. Шароварников А. Ф., Шароварников С. А. Пенообразователи и пены для тушения пожаров. Состав, свойства, применение. М.: Пожнаука, 2005. 335 с.

6. Меженов В. А., Ольховский И. А., Неровных А. Н., Скворцов С. С. К вопросу достоверности применяемых исходных данных для расчёта сил и средств в документах предварительного планирования // Мат-лы III Международной науч.-практ. конф.

«Гражданская оборона на страже мира и безопасности». - М: Академия ГПС МЧС России, 2019. С. 155-161.

7. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Факторы, снижающие огнетушащую эффективность подслойной системы при тушении пламени нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность. 2016. № 4 (Т. 25). С. 56-67. 001: 10.18322/РУВ.2016.25.04.56-67

8. Бобков С. А., Бабурин А. В., Комраков П. В. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Учебное пособие. М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. 210 с.

9. Меженов В. А., Ольховский И. А., Сергеев С. С. Методика определения геометрических размеров отверстий в камерах смешения пенных стволов для создания пен низкой кратности // Мат-лы всероссийской науч.-практ. конф. «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы. Современные методы и технологии предупреждения и профилактики возникновения чрезвычайных ситуаций - 2019». СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2019.

10. Брушлинский Н. Н., Шимко В. Ю., Карпов В. Л., Усма-нов М. X., Семёнов В. П., Джураев С. М. Исследование работы струеобразующего устройства // Пожаровзрывобезопасность. 2010. № 11 (Т. 19). С. 40-43.

11. Жуков Н. П. Гидрогазодинамика. Учебное пособие. Тамбов: ТГТУ, 2011.92 с.

Материал поступил в редакцию 14 октября 2019 года.

Ivan OLKHOVSKY PhD in Engineering

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]

Aleksander FESCHENKO

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]

Vladimir MEZHENOV

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]

Sergei SKVORTSOV

LLC «Korufire», Moscow, Russia E-mail: [email protected]

METHOD FOR DETERMINING FOAM EXPANSION WHEN DELIVERING FROM FOAM CANNONS AND MONITORS WITH FOAM NOZZLES

ABSTRACT

Purpose. The article addresses the problem of determining expansion of foam delivered to extinguish flammable and combustible liquids during oil tank fires. It was defined that the existing methods for determining expansion of low-expansion foam do not take into account the syneresis and bubbling of foam which are the factors that lead to a decrease in foam volume. The authors proposed a promising method for foam expansion assessment using a device for determining foam expansion directly at the nozzle outlet. The method takes into account the mass air flow rate value of the air coming from the openings in the foam cannons or monitors with foam nozzle and allows defining the cross-section of the openings and their required number.

Methods. Analysis of methods for assessing expansion of low-expansion foams has been carried out. Theoretical indicators of mass air flow rate have been used. Computational research method has been applied.

Findings. According to this technique, calculations have been carried out for foam cannons and monitors with foam nozzles, the final values of which correlate with real rates. It allows concluding that when

foam is delivered from this type of monitors a vacuum of 0.02-0.03 MPa should be created in the cavity of the foam nozzle. Taking into account this indicator, it is possible to calculate the size of the openings in the mixing chamber for the formation of low expansion foam.

Tests have shown that at the outlet from the monitor foam nozzle developed according to the calculation results, low-expansion foam with expansion of at least 7 is formed, with the solution flow rate of 80 l/s and the pressure of 100 m water column.

Research application field. Applying the method will make it possible to define the expansion of the air-filled foam delivered from monitor-equipped appliances, as well as to define the optimal monitor design (cross-section and number of openings for creating expansion).

Conclusions. The research prospect is manufacturing a device for measuring foam expansion in the appliances for delivering extinguishing agents.

Key words: fire, oil, tank, foam, foam expansion, foam generator, monitor.

REFERENCES

1. Gainullina E.V., Iakubova T.V., Krektunov A.A. Investigation of the possibility of improving the fire-extinguishing properties of air-mechanical foams. Sovremennye tekhnologii obespecheniia grazhdanskoi oborony i likvidatsii posledstvii chrezvychainykh situatsii. 2015, no. 1(6)-1, pp. 78-80. (in Russ.)

2. Gorbunov A.S., Duplyakov G.S. Investigation of fire-extinguishing properties of air-mechanical foams. Mat-Iy vserossiiskoi molodezhnoi nauch.-tekhn. konf. neftegazovoi otrasli "Molodaia neft" [Proceedings of all-Russian youth science. techn. conf. oil and gas industry "Young oil"]. Krasnoyarsk: Siberian Federal University Publ., 2016, pp. 216-218. (in Russ.)

3. Volik A.S., Habirov T.R. Tactical and technical support of fire extinguishing on the objects of oil and gas industry by the modified air-mechanical foams. Problemy upravleniia riskami v tekhnosfere. 2018, no. 3(47), pp. 107-110. (in Russ.)

4. Volik A.S., Rechkin V.I., Halchenko T.P. New technologies for obtaining air-mechanical foam during fire extinguishing. Prirodnye i tekhnogennye riski. 2019. № 2 (30), pp. 39-42. (in Russ.)

5. Sharovarnikov A.F., Sharovarnikov S.A. PenoobrazovateIi i peny dlia tusheniia pozharov. Sostav, svoistva, primenenie [Foaming agents and foam to extinguish fires. Composition, properties, application]. Moscow, Pozhnauka. 2005. 335 p.

6. Mezhenov VA., Olkhovsky I.A., Nerovnykh A.N., Skvortsov S.S. To the question of reliability of the applied initial data for the calculation of forces and means in the documents of preliminary planning.

Mat-Iy III Mezhdunarodnoi nauch.-prakt. konf. "Grazhdanskaia oboronanastrazhemiraibezopasnost!' [Materials of the III International scientific conference.- pract. conf. "Civil defense on guard of peace and security"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia. 2019, pp. 155-161. (in Russ.)

7. Korolchenko D.A., Sharovarnikov A.F. Factors which reduce fire extinguishing efficiency of sublayer system during suppression of the flame of oil products. Pozharovzryvobezopasnost. 2016, no. 4 (vol. 25), pp. 56-67. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.04.56-67 (in Russ.)

8. Bobkov S.A., Baburin A.V., Komrakov P.V. Fiziko-khimicheskie osnovy razvitiia i tusheniia pozharov [Physical and chemical bases of development and fire extinguishing]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ. 2014. 210 p.

9. Mezhenov V.A., Olkhovsky I.A., Sergeev S.S. Method for determining the geometric dimensions of holes in the mixing chambers of foam barrels to create low-density foams. [Method for determining the geometric dimensions of holes in the mixing chambers of foam barrels to create low-density foams]. Saint-Petersburg, 2019.

10. Brushlinsky N.N., Shimko V.Yu., Karpov V.L., Usmanov M.Kh., Semenov V.P., Dzhuraev S.M. Investigation of the operation of the jet-forming device. Pozharovzryvobezopasnost. 2010, no. 11 (vol. 19). pp. 40-43. (in Russ.)

11. Zhukov N.P. Gidrogazodinamika [Fluid Dynamics]. Tambov, TGTU Publ., 2011. 92 p.

© Olkhovsky I., Feschenko A., Mezhenov V., Skvortsov S., 2019

61