С учетом теоретических основ подавления горения описаны способы тушения газо-паровоздушных облаков. Выделены основные направления, обеспечивающие повышение безопасности объектов. Предложен способ реализации профилактических мероприятий, который существенно повышает безопасность на объектах связанных с добычей, транспортировкой, переработкой, хранением и использованием углеводородных продуктов.
Ключевые слова: горение газо-воздушных облаков, пожары, предупреждение и подавление горения, двустенные резервуары.
Человечество живёт и процветает благодаря техническому прогрессу. А современная экономика немыслима без использования веществ, которые, к большому сожалению, по различным причинам могут воспламеняться и гореть в обычных атмосферных условиях.
По статистике самые крупные пожары происходят на объектах, которые связаны с добычей, транспортировкой, переработкой, хранением и использованием углеводородных продуктов.
К таким объектам относятся: нефтеперерабатывающие предприятия, автозаправочные станции, объекты газового хозяйства, жилые газифицированные здания [1–4].
В России средняя частота пожаров с серьезными последствиями, по отраслям нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности составляет 12 пожаров в год. Наиболее опасными для возникновения пожара является весенне-летний период, на долю которого приходится около 73 % от общего числа пожаров. Вместе с тем установлено, что наиболее интенсивно пожарные подразделения работают в зимний период.
Средняя продолжительность тушения пожаров в резервуарах в зимнее время составляет 8,5 часов (при температуре ниже минус 25 С˚ — 10 часов), в весеннее и осеннее время — 6,6 часа, в летнее время — 5,5 часа [15].
Большинство пожаров, происшедших зимой, носило затяжной характер и требовало сосредоточения значительного количества сил и средств.
Под пожаротушением подразумевается комплекс мероприятий, направленных на ликвидацию возникшего пожара. Поскольку для возникновения и развития процесса горения, обуславливающего явление пожара, необходимо одновременное сочетание горючего вещества, окислителя и непрерывного потока тепла от очага пожара к горючему материалу, то для прекращения горения достаточно исключить какой- либо из этих элементов.
Скорость реакции описывается законом действующих масс и уравнением Аррениуса:
(1)
где А — коэффициент;
c — концентрация горючего (окислителя);
а и b — константы реакции;
Е — энергия активации;
R — гaзовая постоянная»
Т — температура в зоне горения.
Подавление горения, прежде всего, связано с уменьшением скорости реакции, а этого можно добиться уменьшением величины каждого из сомножителей, входящего в это уравнение.
Таким образом, прекращения горения можно добиться снижением содержания горючего компонента, уменьшением концентрации окислителя, увеличением энергии активации реакции и, наконец, снижением температуры процесса. Для этой цели существуют следующие способы пожаротушения применительно к горению газо-паровоздушной смеси:
- охлаждение очага горения или горящего материала ниже определенных температур;
- изоляция очага горения от воздуха или снижение концентрации кислорода в воздухе путем разбавления негорючими газами;
- торможение (ингибирование) скорости реакции окисления;
- механический срыв пламени сильной струей газа или воды;
- создание условий огнепреграждения, при которых пламя распространяется через узкие каналы, сечение которых ниже тушащего диаметра [3].
Для реализации перечисленных способов пожаротушения, можно выделить основные направления которые обеспечивают повышение безопасности объектов:
1. Профилактические мероприятия, направленные на предотвращение образования газо-паровоздушной смеси взрывоопасной концентрации, и ее воспламенения:а) огнезащитные покрытия; б) комплексные антикоррозионные покрытия; в) огнезащитная система например «Эндотерм ХТ-150», которая представляет собой три слоя покрытий; г) установка или монтаж оборудования, исключающие скопление опасных веществ в опасной концентрации; д) использование предохранительных конструкций (ПК) [7]; е) молниезащита; ж) обвалование или ограждение хранилищ.
2. Тушение пожара различными способами и средствами: огнетушащие вещества (вода, пена, инертные негорючие газы, огнетушащие порошки) [1, 5].
Виды пожарной техники, которые подразделяются на группы:
1. Пожарные машины.
2. Установки пожаротушения.
3. Огнетушители.
4. Средства пожарной сигнализации
5. Пожарные спасательные устройства.
6. Пожарный ручной инструмент.
7. Пожарный инвентарь.
В настоящее время в качестве средств тушения используют:
- воду, которая может подаваться в очаг пожара сплошными или распыленными струями;
- пены (воздушно-механическая и химическая), представляющие собой коллоидные системы, состоящие из пузырьков воздуха (в случае воздушно-механической пены) или диоксида углерода (в случае химической пены), окруженных пленками воды;
- инертные газовые разбавители (диоксид углерода, азот, аргон, водяной пар, дымовые газы):
- гомогенные ингибиторы — низкокипящие галогеноуглеводоропы (хладоны);
- гетерогенные ингибиторы — огнетушащие порошки;
- комбинированные составы [1].
В некоторых литературных источниках написано, о недостаточности проведения профилактических мероприятий, ввиду износа оборудования на объектах газовой и химической промышленности и предлагаются методы подавления пожара. Хотелось бы с этим не согласиться, так как экономически выгодней устанавливать существующие надёжные, долговечные конструкции, которые могут использоваться на объектах повышенной опасности.
Одной из таких конструкций является установка ёмкостей с двойными стенками.
Резервуары с двойными стенками представляют собой конструкцию, состоящую из пары вставленных друг в друга герметичных емкостей, пространство между которыми может быть заполнено инертным газом, негорючим газом, демпфирующей жидкостью, воздухом с пониженным давлением или вакуумом, теплоизоляционным материалом.
Двустенные резервуары используются для хранения взрывоопасных и легко воспламеняющихся веществ, сжиженных газов или нефтепродуктов легких фракций. Они могут иметь цилиндрическую, шарообразную или прямоугольную форму.
Демпфирующая жидкость, используемая для заполнения пространства между стенками емкости, должна иметь высокую плотность, выше, чем у реагента хранения, она должна быть инертна, и не должна обладать способностью к самовоспламенению до ста градусов Цельсия. К таким жидкостям относят незамерзающие жидкости — антифризы, например, тосол или этиленгликоль.
Пространство между стенками резервуара должно быть заполнено демпфирующей жидкостью полностью, без примеси воды или воздушных пузырей. Для контроля герметичности двустенного резервуара в пространство между стенками могут быть установлены датчики давления или состава демпфирующей жидкости. Датчики давления или состава демпфирующей жидкости позволят обнаружить наличие частичного или полного нарушения герметичности емкости и принять необходимые меры.
Наличие в пространстве между стенками резервуара инертного газа или незамерзающей жидкости позволяет исключить возможность утечки взрывоопасных, ядовитых или легко воспламеняющихся жидкостей. Кроме этого в таком резервуаре исключается накопление взрывоопасных паров горючей жидкости в пространстве между стенками, что повышает безопасность эксплуатации и снижает вероятность самовозгорания топлива.
Двустенные резервуары можно устанавливать без заглубления в грунт, с частичным или полным его заглублением в грунт. При качественной гидроизоляции внешней поверхности резервуара допустимо заглубление его даже во влажную плотную почву. При заглублении в грунт выше уровня зимнего промерзания почвы, двустенные резервуары могут оснащаться датчиками температуры и подогревателями, например, при хранении дизельного топлива во избежание его сгущения при низких температурах [16].
Резервуары, полностью заглубленные в грунт, необходимо защищать от коррозии полимерными пленками, акриловыми или битумными лаками, а также дренажной песчаной подушкой. Для защиты от коррозии надземных элементов и трубопроводов, их покрывают влагостойкими красками с добавлением алюминиевой пудры. Наружные части двустенных резервуаров закрывают от попадания атмосферных осадков влагозащитными козырьками или крышей [16].
Подземные двустенные резервуары могут использоваться для длительного хранения горюче-смазочных веществ или химических реагентов.
Основным достоинством таких хранилищ является возможность полезного использования площади, занимаемой резервуаром, эксплуатационная безопасность, а также отсутствие необходимости в периодическом обслуживании резервуара. При использовании для изготовления современных композитных материалов и нержавеющих сталей, срок эксплуатации двустенного резервуара может достигать пятидесяти и более лет [16].
Ещё одним из достоинств применения таких сосудов является то, что их можно устанавливать в местах с плотной застройкой, так как нет необходимости иметь необходимую зону безопасности, как при использовании одностенных ёмкостей.
Наличие простых датчиков, контролирующих пространство между стенками ёмкости значительно упрощает контроль за состоянием как внешней, так и внутренней оболочки. Позволяет легко автоматизировать процесс контроля с использованием современной цифровой техники, что в свою очередь позволяет это осуществлять удалённо, с меньшими затратами (нет необходимости в персонале осуществляющим контроль и обслуживание) и исключающим, что немаловажно, «человеческий фактор».
При ликвидации аварий с проливами сжиженных газов одной из главных задач является борьба с загазованностью. Парогазовая фаза при аварии (первичное облако), так и разлива вещества (вторичное облако), представляет токсикологическую опасность.
Первичное облако существует десятки- сотни секунд, рассеиваясь по направлению ветра, однако характеризуется пиковой концентрацией вещества, приводящей к гибели людей.
Вторичное облако создает устойчивый фон воздействия разлившегося и испаряющегося продукта с высокими концентрациями в течение длительного времени (десятки минут — часы).
При аварийных разливах и выбросах горючих газов появляются дополнительные по сравнению с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями (ЛВЖ и ГЖ) опасные факторы:
- быстрообразующиеся пожаровзрывоопасные облака, распространяющиеся на большие расстояния, способные, кроме того, вызвать отравление или удушье человека;
- высокая среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени (для пожара пролива СПГ — 220 кВт·м-2);
- высокотемпературный горящий факел, возникающий при истечении паровой и (или) жидкостной фазы СПГ;
- низкие температуры при аварийных выбросах, способные вызвать обморожение и гибель человека, приводящие также при определенных условиях к потере прочности и функционального назначения материалов и конструкций резервуаров и технологического оборудования [8].
Для анализа процессов, происходящих при аварийных выбросах горючих газов, проанализируем дерево событий и основные параметры опасности для аварийных ситуаций с полным разрушением (рис. 1) и локальным разрушением (рис. 2) резервуара [5].
|
|
|
|
Рис. 1. Дерево событий при полном разрушении резервуара |
|
|
|
|
|
Рис. 2. Дерево событий при локальном разрушении резервуара |
|
В нашей стране и за рубежом чаще всего, как правило, используются «подручные» средства (стволы с насадками-распылителями, турбинные и веерные распылители и т. п.). Однако, нормативные документы по применению водяных завес для борьбы с загазованностью при авариях, связанных с выбросами горючих газов и токсичных веществ, не разработаны.
Применение водяных завес исследуются в научных работах (диссертациях) где определены оптимальные параметры и найдены эффективные средства, способы, условия создания и применения защитных водяных завес [1, 8, 10–15].
Подтверждены литературные данные, где предполагается, что главным в процессе применения водяных завес является разбавление парогазовой смеси воздухом, захватываемым водяными струями. Водяная завеса смешивает воздух с горючими газами, уменьшая концентрацию газов в ГВС до безопасных концентраций.
Эффективный размер завесы, т. е. размер области, в которой происходит интенсивный захват окружающего воздуха и рассеивание паровоздушного облака, при давлении воды не менее 0,6 МПа составляет:
- высота завесы 6–7 м;
- ширина водяной завесы 12–14 м;
- площадь 50–70 м2;
- толщина — 1 м [8].
Применение водяных завес, создаваемых с помощью распылителей, способно снижать интенсивность теплового излучения в 2,8–3 раза.
Механизм снижения теплового излучения водяными завесами основан на частичном отражении и поглощении каплями и струями воды тепловой радиации горящего факела.
Таблица 1
Определение интенсивности теплового излучения при горении пролива сжиженного пропана без завесы и при наличии защитной водяной завесы [8].
|
Интенсивность теплового излучения (без завесы), кВт/м2 |
4.2 |
6.4 |
6.7 |
8.3 |
|
Интенсивность теплового излучения (при наличии завесы), кВт/м2 |
1.4 |
2.2 |
2.4 |
2.8 |
Выводы
На объектах хранения, транспортировки, переработки сжиженных и криогенных горючих газов и токсичных веществ, при борьбе с загазованностью, существенно позволит повысить безопасность и эффективность деятельности пожарных применение защитных водяных завес. Но целесообразнее выполнять профилактические мероприятия, направленные на предотвращение образования газо-паровоздушной смеси взрывоопасной концентрации, и ее воспламенения, чтобы предупредить опасность для здоровья и жизни людей и нанесения материального ущерба.
Одним из таких эффективных мероприятий является установка двустенных резервуаров, которые:
- позволяют полезно использовать площади, занимаемой резервуаром;
- нет необходимости в периодическом обслуживании;
- эксплуатационная безопасность;
- срок эксплуатации может достигать пятидесяти и более лет;
- можно устанавливать в местах с плотной застройкой;
- наличие простых датчиков, контролирующих пространство между стенками ёмкости значительно упрощает контроль за состоянием как внешней, так и внутренней оболочки;
- позволяет легко автоматизировать процесс контроля с использованием современной цифровой техники, что в свою очередь позволяет это осуществлять удалённо, с меньшими затратами (нет необходимости в персонале осуществляющим контроль и обслуживание) и исключающим, что немаловажно, «человеческий фактор».
Литература:
1. Акатьев В. А. Основы взрывопожаробезопасности. — М.: Издательство РГСУ, 2008. — 552 с.
2. Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П., Кулеш Дж., Стрелоу Р. Взрывные явления. Оценка и последствия. — М.: Мир, 1991.- 319 с.
3. Бесчастнов М. В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение.- М.: Химия, 1991.- 164 с.
4. Ларионов В. И., Акатьев В. А., Александров А. А. Риск аварий на автозаправочных станциях // Безопасность труда в промышленности, 2004. –№ 2. — С.44–48.
5. Маршалл В. М. Основные опасности химических производств. Пер. с англ.- М.: Мир, 1989. — 152 с.
6. Методика прогнозирования и оценки обстановки при выбросах в окружающую среду хлора, аммиака и других аварийно химически опасных веществ // М.: ВНИИ ГОЧС, 1997. — 34 с.
7. Пилюгин Л. П. Обеспечение взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций. — М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001. — 224 с.
8. Сенчишак Т. И. Защитные водяные завесы для борьбы с газо-паровоздушными облаками горючих газов и токсичных веществ // Диссертация, 2009. — 136 с.
9. Erown L. E. Small Scale Test on Control Methods for Some Liquefied Natural Gas Hazards. // Coast Gusrd Report № CG-D-95–76,1976.
10. Rothe, P.H., Block, J. A. Aerodynamic Behavior of Liquid Sp-ays. // Int. J. Miltiphase Flow, 3, p. 263,1977.
11. Zalosh, R.G., Alpart, R.L., Heskeetad, G. Dispersal of LNC Vapor Clouda With Water Spray Curtains. // Institution of Chemical Engineera Sympoalum on Containment and Dispersion of Flaimmable and Toxic Cases with Water Sprays. Manchester, England, November II, 1985.
12. Meroney, R. N. Wind Timnel Experiments on Dense Gas Dispersion. // Special Issue, Jour. Hazardous Materials, 6, 1985.
13. Heskestad, G., Kung, B.C., Todtenkopf, N. Air Entrainment Into Water Sprays and Spray Curtains. // ASME Paper No. 76-WAyFE-40, 1976.
14. http://5fan.ru/- Оценка экономической эффективности мероприятий по снижению пожарного рис.
15. http://sbk.ltd.ua/- Подземные резервуары АЗС: одностенные емкости, двустенные — с двойной защитной стенкой.
