автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Тушение пламени нефтепродуктов олеофобной твердеющей пеной

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МВД РОССИИ

На правах рукописи Каришин Алексей Владимирович

ТУШЕНИЕ ПЛАМЕНИ НЕФТЕПРОДУКТОВ ОЛЕОФОБНОЙ

ТВЕРДЕЮЩЕЙ ПЕНОЙ

Специальность: 05.26.03 Пожарная безопасность (технические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор А.Ф. Шароварников НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ кандидат физико-математических наук доцент В.И. Слуев

Москва-1999

СОДЕРЖАНИЕ Введение....................................................................................................................5

Глава 1. Аналитический обзор................................................................................11

1.1. Анализ аварий с горючими жидкостями на предприятиях нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности..............................11

1.2. Закономерности тушения нефтепродуктов пенами..................................15

1.2.1. Закономерности тушения пламени нефтепродуктов

при подаче пены на поверхность зеркала горючего............................................15

1.2.2. Закономерности подслойного тушения пламени нефтепродуктов в модельных резервуарах...........................................................18

1.3. Новые составы для предотвращения и тушения пожаров нефтепродуктов с помощью низкократных пен..................................................26

1.4. Техника для получения твердеющей пены и пеногенерирующие устройства................................................................................................................32

1.5. Постановка задач исследований..................................................................40

Глава 2. Экспериментальная часть.........................................................................43

2.1. Методы исследований..................................................................................43

2.1.1. Метод измерения поверхностного и межфазного натяжения растворов ПАВ (метод Де Нуи)..............................................................................43

2.1.2. Метод определения изолирующей способности олеофобных твердеющих пен на поверхности углеводородов..........................................................48

2.1.3. Метод определения кратности твердеющей пены..........................................54

2.1.4. Метод определения огнетушащей эффективности твердеющей пены при подаче ее непосредственно в слой горючей жидкости в условиях стендовых экспериментов..........................................................................................................................................55

2.1.5. Метод определения периода отверждения олеофобной

твердеющей пены.............................................................................................................60

2.1.6. Метод определения времени защитного действия олеофобной твердеющей пены на поверхности нефтепродукта....................................................................62

2.1.7. Методика исследования электроосмоса в модельных

пенных каналах.......................................................................................................65

2.1.8. Метод определения эластичности твердеющей пены...........................68

2.2. Вещества, используемые в работе.............................................................71

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований....................................77

3.1. Исследование огнетушащей эффективности олеофобной твердеющей пены...................................................................................................79

3.2. Исследование пенообразующей способности твердеющих

составов...................................................................................................................98

3.3. Исследование зависимости периода отверждения олеофобной твердеющей пены от концентрации составляющих рецептуры.......................110

3.4. Исследование области изоэлектрического состояния растворов фторированных ПАВ.............................................................................................111

3.5. Исследование коллоидно-химических свойств твердеющего

состава.....................................................................................................................118

3.6. Исследование изолирующей способности и времени защитного действия олеофобной твердеющей пены............................................................118

3.7. Исследование эластичности различных составов олеофобной твердеющей пены...................................................................................................127

Глава 4.Анализ результатов исследований.........................................................132

4.1. Анализ процесса тушения пламени нефтепродуктов при подслойной подаче низкократных пен................................................................132

4.2. Закономерности формирования пограничного слоя пены.....................140

4.3. Анализ направленного регулирования огнетушащей

эффективности и изолирующей способности олеофобной твердеющей

пены.........................................................................................................................148

4.4. Анализ процесса тушения пламени нефтепродуктов олеофобной твердеющей пеной.................................................................................................152

Заключение и выводы............................................................................................163

Список литературы................................................................................................165

Приложение. Акты о внедрении результатов диссертационной работы.........172

ВВЕДЕНИЕ

Ликвидация аварий, связанных с проливами нефтепродуктов, требует много времени для сбора и утилизации разлитой жидкости. При проведении работ по ликвидации аварии важно предотвратить возможность возникновения пожара и обеспечить пожаровзрывобезопасность этого процесса. Решающим фактором, влияющим на выбор локализующего средства, является время существования покрытия, препятствующего проникновению паров нефтепродукта в окружающую среду.

Перспективным способом, обеспечивающим длительную защиту пролива нефтепродукта от пожара, является покрытие поверхности горючего слоем олеофобной пены низкой кратности, которая способна самопроизвольно от-верждаться с течением времени и противостоять агрессивному действию нефтепродукта. Время защитного действия таких пен может составлять несколько суток. Применение олеофобной твердеющей пены эффективно и при ее подаче на горящую жидкость, т.е. до отверждения пена покрывает всю поверхность нефтепродукта и прекращает горение.

Основная сложность применения низкократной олеофобной твердеющей пены связана с ее погружением вглубь нефтепродукта на 5-15 сантиметров в результате подачи на поверхность жидкости в виде сплошных высоконапорных струй. После подъема на поверхность важно, чтобы отдельные порции пены вновь слились между собой и сформировали сплошной слой пены, который способен резко снизить скорость испарения горючего. С момента получения пены, одновременно с формированием изолирующего слоя, идет процесс ее отверждения. Это, в первую очередь, отражается на увеличении вязкости пены. Поэтому актуальным является установление механизма огнетушащего действия и режима применения низкократной олеофобной твердеющей пены.

Целью диссертационной работы является выявление закономерностей процесса тушения пламени нефтепродуктов и изолирующего действия олео-фобных твердеющих пен.

На основе теоретических и экспериментальных исследований данной работы:

исследован механизм формирования пенного слоя на поверхности углеводородов и выявлено влияние природы нефтепродукта, толщины слоя горючего на огнетушащее действие пены;

выявлен способ направленного регулирования огнетушащей эффективности и изолирующего действия пены путем подбора и изменения концентраций компонентов рецептуры;

определена зависимость времени тушения пламени различных нефтепродуктов от интенсивности подачи пены и установлена зависимость изолирующего действия пены от толщины ее слоя;

установлен механизм процесса тушения пламени нефти и нефтепродуктов пеной;

Научная новизна работы:

- показана принципиальная возможность направленного регулирования огнетушащей эффективности и защитного действия пен путем обеспечения олеофобной природы пенообразующей композиции;

- выявлен механизм процесса тушения пожаров разливов нефтепродуктов пеной, который учитывает эффект постепенного отверждения пены, приводящий, с одной стороны, к повышению термической устойчивости, а с другой - к снижению скорости растекания;

- предложено количественное соотношение для оценки времени тушения пламени нефтепродуктов пеной, которое учитывает противоположно направленное действие процесса отверждения пены: с одной стороны уменьшение периода отверждения пены приводит к снижению удельной скорости ее термического разрушения и, как следствие, время тушения уменьшается. С другой

стороны, увеличивается вязкость пены, что ведет к увеличению времени тушения.

Практическая ценность работы заключается в использовании материалов диссертационной работы в учебном процессе кафедры О и СХ МИПБ МВД РФ; в технических условиях на производство пенообразователя "Олеофобная твердеющая пена".

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы и приложения.

В первой главе проведен анализ пожаров, произошедших в результате аварийных разливов нефтепродуктов, современные средства и способы тушения пожаров в резервуарных парках. Анализируются существующие взгляды на процесс тушения нефтепродуктов пенами. Показано, что существующие способы противопожарной защиты разливов нефтепродуктов, при которых используется пена средней кратности не обеспечивают надежную защиту, поскольку время жизни такой пены мало.

Приводятся количественные соотношения, которые используются различными авторами при описании процесса тушения нефтепродуктов пенами, и, в частности, системы подачи пены в слой горючего.

На основании данных, полученных при анализе патентной и научной литературы, проводится выбор основных направлений исследований.

Вторая глава содержит описание экспериментальных методов исследований, использование которых вызвано необходимостью комплексного исследования свойств пены и пенообразующего раствора. К ним относятся известные в практике научных исследований методы определения коллоидно-химических свойств растворов ПАВ и физико-механических свойств пен и разработанные при непосредственном участии автора.

Приведен перечень веществ, используемых в работе.

В третьей главе описаны результаты экспериментальных исследований огнетушащей эффективности, изолирующей способности, кратности, периода

отверждения, эластичности олеофобной твердеющей пены. Выявлены оптимальные параметры при тушении твердеющей пеной различных видов нефтепродуктов.

Выявлена зависимость изолирующей способности олеофобной твердеющей пены от величины пенного слоя на поверхности различных нефтепродуктов. Определена минимальная толщина слоя пены, обеспечивающая пожаров-зрывобезопасность работ по сбору и утилизации разливов различных видов нефтепродуктов. Определено время защитного действия олеофобной твердеющей пены на поверхности различных нефтепродуктов.

Четвертая глава содержит анализ выявленных закономерностей тушения пламени нефтепродуктов, на основании которых построена модель процесса тушения. Показано двоякое влияние процесса отверждения пены на процесс тушения. Рассмотрен метод численного решения полученного дифференциального уравнения. Представлено сопоставление экспериментальных данных с расчетными данными исходной и предложенной модели.

На защиту выносится комплекс экспериментальных данных и теоретических исследований предотвращения испарения и тушения пламени разливов нефтепродуктов пеной:

- механизм направленного регулирования огнетушащей эффективности и изолирующего действия пены путем подбора компонентов и изменения их концентраций в рецептуре;

- экспериментальные данные по тушению модельных резервуаров с нефтепродуктами и определению изолирующей эффективности и времени защитного действия пены на поверхности различных нефтепродуктов;

- механизм процесса тушения пожаров разливов нефтепродуктов пеной, который учитывает эффект полимеризации, приводящий, с одной стороны, к повышению термической устойчивости пены, а с другой - к повышению ее вязкости и снижению скорости растекания;

- количественное соотношение для оценки времени тушения пламени нефтепродуктов пеной, которое учитывает противоположно направленное действие процесса отверждения пены;

- экспериментальные данные по изучению коллоидно-химических и физико-механических свойств различных составов пены.

Основные результаты диссертационной работы доложены на Международной конференции по проблемам информатизации (Москва, ВИПТШ МВД РФ, 1995 г.), на научно-практической конференции по пожарной безопасности (Москва, ВИПТШ МВД РФ, 1995 г.) и на региональном научно-практическом семинаре "Нефть, химия, энергетика, экология" (Тольятти, 1998 г.).

Автором по материалам диссертации опубликовано восемь работ:

1. Изолирующее действие устойчивых пен на поверхности нефтепродуктов / Каришин A.B., Шароварников А.Ф., Крымов A.M. и др.// Пожарная безопасность - 95: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1995. - С. 108-110.

2. Изолирующее действие устойчивых пен на поверхности нефтепродуктов / Каришин A.B., Шароварников А.Ф., Монтаев Е.И., Бяков A.B. // Научно-технические решения и разработки по предотвращению и ликвидации пожаров: Сб. науч. тр. - М.: ВИПТШ МВД РФ, 1995. - С. 176-178.

3. Предотвращение испарения и тушение пожаров аварийных разливов нефтепродуктов олеофобными пенами / Каришин A.B., Шароварников А.Ф., Углов A.B., Крымов A.M. // Нефтепереработка и нефтехимия. - 1996. - № 4. - С. 36-38.

4. Каришин A.B., Углов A.B., Крымов A.M. Предотвращение аварийных ситуаций при разливах нефтепродуктов олеофобными пенами // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 1996. - № 8-9. - С. 17-21.

5. Каришин A.B., Каплан A.B., Бяков A.B. Экологические аспекты тушения нефтепродуктов в резервуарах пенами. Безопасность транспортных систем // Труды первой международной научно-практической конференции. Самара, 1998. 237 с.

6. Каришин A.B., Шароварников А.Ф. Предотвращение и ликвидация пожаров разливов нефтепродуктов олеофобной твердеющей пеной. Нефть, химия, энергетика, экология // Материалы регионального научно-практического семинара. Тольятти, 1998. 136 с.

7. Каришин A.B., Бяков A.B. Экологические аспекты тушения нефтепродуктов в резервуарах пенами. Нефть, химия, энергетика, экология // Материалы регионального научно-практического семинара. Тольятти, 1998. 136 с.

8. Шароварников А.Ф., Каришин A.B. Новые средства и способы тушения пожаров нефтей и нефтепродуктов. Нефть, химия, энергетика, экология // Материалы регионального научно-практического семинара. Тольятти, 1998. 136 с.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 1.1. Анализ аварий с горючими жидкостями на предприятиях нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.

При эксплуатации производств по добыче, транспортировке, хранению и переработке нефти и нефтепродуктов периодически происходит разгерметизация технологического оборудования и трубопроводов. Это является следствием ошибок обслуживающего персонала или по технологическим причинам: коррозии конструкционных материалов, старении уплотняющих прокладок в соединительных элементах, из-за тепловых деформаций, усталости металла и т.д.

При разгерметизации, в помещение цеха или на открытую площадку может вылиться значительное количество горючей жидкости, испарение которой сопровождается образованием взрывоопасного облака.

В ряде случаев, выходящие из разрушенного оборудования вещества, представляют собой высокотоксичные соединения.

Описаны [1] аварии во Фликсборо (Англия), Бхопале (Индия), Севезо (Италия), Линце (Австрия), при которых пострадали сотни человек.

По данным Кинга [1] крупные инциденты, связанные с разрушением технологического оборудования и выходом больших количеств горючих и токсичных веществ в атмосферу, происходили на предприятиях практически всех известных нефтеперерабатывающих и химических компаний.

В книге М. Бестчастнова [2] описаны многочисленные аварии с выбросом опасных продуктов на предприятиях нашей страны.

На ректификационной установке по разделению нефтепродуктов были допущены отклонения от заданных параметров технологического процесса по температуре, дозировке сырья и уровню жидкости в аппаратах. В результате, давление внутри ректификационной колонны достигло 1,5 МПа. Сработал предохранительный клапан и через него большое количество нагретого углеродного сырья было выброшено на площадку. Образовавшееся в результате испаре-

ния газовое облако самовоспламенилось от нагретых частей технологической установки. Возникший пожар привел к значительному материальному ущербу.

В сообщениях пожарных команд и спасательных подразделений Верхней Австрии [3] отмечаются имевшие место аварии в Франкенбурге (утечка нефтепродуктов из цистерны вместимостью 5000 л). Проведены учения на канале Рейн-Майн-Дунай (загрязнение вод канала нефтепродуктами). Сообщается также о подготовке бригады по борьбе с опасными веществами, выделившимися во внешнюю среду (на опорном пункте в Линце).

Авария, связанная с утечкой горючего, произошла на нефтеперерабатывающем заводе фирмы Тоталь, расположенном в местечке Ла Мэд (Прованс, Франция) [4]. Завод занимает площадь в 250 га и дает 6,6 миллионов тонн нефти-сырца в год. Сильная утечка горючего,