автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Исследование и усовершенствование способов противопожарной защиты баллонов со сжиженными углеводородными газами

ВВЕДЕНИЕ .,.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ БАЛЛОНОВ СО СЖИЖЕННЫМИ УГЛЕВОДОРОДНЫМИ ГАЗАМИ.

1.1. Физические явления, сопровождающие попадание резервуара со сжиженными углеводородными газами в очаг пожара

1.2. Методы противопожарной защиты резервуаров со сжиженными углеводородными газами от воздействия тепловых нагрузок в условиях пожара

1.2.1. Огнезащитные покрытия, применяемые для защиты резервуаров со сжиженными углеводородными газами от воздействия тепловых нагрузок в условиях пожара.

1.2.2.Теплозащитные покрытия

1.2.3. Защита сосудов со сжиженными углеводородными газами от разрушения с помощью предохранительных устройств (предохранительные клапаны и мембраны)

1.3. Постановка цели работы и выбор направления исследований

Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ

ГАЗОВЫХ БАЛЛОНОВ С ОГНЕЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ В ОЧАГЕ ПОЖАРА

2.1. Методика выбора оптимального покрытия для защиты баллонов со СУ Г от тепловых нагрузок пожара

2.2. Методика проведения экспериментальных исследований.

2.3.Условия проведения экспериментальных исследований и их результа

2.4. Обсуждение результатов экспериментов

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ГАЗОВЫХ БАЛЛОНОВ С ОГНЕЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМИ КЛАПАНАМИ В ОЧАГЕ ПОЖАРА

3.1. Объект исследований

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований

3.3. Результаты экспериментальных исследований.

3.4. Обсуждение результатов экспериментов.

Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ГАЗОВЫХ

БАЛЛОНОВ С ОГНЕЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМИ КЛАПАНАМИ В ОЧАГЕ ПОЖАРА

4.1. Постановка задачи и метод ее решения

4.2 . Результаты расчетов и сопоставление их с экспериментом

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПОСОБОВ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ ГАЗОВЫХ БАЛЛОНОВ

5.1. Использование данных экспериментальных исследований при разработке в дополнениях к "Правилам пожарной безопасности в Российской Федерации"

5.2. Использование данных экспериментальных и теоретических исследоний при разработке Рекомендаций по тактике действий подразделений пожарной охраны в условиях возможного взрыва газовых баллонов в очаге пожара

5.3. Использование результатов работы при разработке нормативного документа по конструкции железнодорожных цистерн для перевозки сжиженных углеводородных газов

ВЫВОДЫ

Развитие промышленности и техники во всех странах неразрывно связано с постоянно возрастающим использованием сжиженных углеводородных газов (СУГ). Для хранения и транспортировки этих продуктов наиболее широкое применение нашли металлические резервуары (баллоны). Парк баллонов, используемых только в нашей стране промышленностью и в быту, насчитывает более 40 млн. единиц и неуклонно увеличивается.

Использование баллонов со СУГ, однако, требует разработки и применения специальных мер предостороженности, поскольку СУГ является веществом повышенной пожарной опасности. Обусловлено это в первую очередь следующими причинами:

1) низкими величинами нижних концентрационных пределов распространения пламени (1,6 - 2% в зависимости от состава СУГ);

2) возможностью проливов жидкой фазы;

3) легкостью образования взрывоопасных смесей при утечках газа;

4) большей плотностью СУГ по отношению к воздуху (в 1,5 - 2 раза), в результате чего взрывоопасное облако локализовано у поверхности земли

В связи с этим даже при небольших количествах паров СУГ создаются пожароопасные концентрации, чему во многом способствуют низкие величины нижних концентрационных пределов распространения пламени. В результате этого, несмотря на применяемые меры предосторожности, число случаев пожаров и взрывов, вызванных возгоранием СУГ постоянно растет. Так за период с 1993 по 1998 г.г. только в Российской Федерации по причинам связанными с использованием газовых установок, баллонов и приборов, произошло 2184 пожара, при которых погибло 2130 человек, и получили травмы различной степени тяжести 5860 человек.

Особую опасность представляет аварийная ситуация когда резервуар со СУГ находится вблизи очага пожара, либо непосредственно в самом очаге. В этих случаях последствия взрыва резервуара могут носить характер катастрофы, сопровождающейся человеческими жертвами и разрушениями. Особенно опасны взрывы сосудов со СУГ в очаге пожара для оперативных пожарных подразделений, осуществляющих тушение пожара.

Из сказанного выше очевидна актуальность разработки и использования эффективных комплексных мер и методов для предотвращения аварий, вызванных разрушением резервуаров со СУГ, оказавшихся в очаге пожара. Не случайно, что этой проблеме посвящено большое число исследований и разработок способов повышения пожарной безопасности в разных странах мира, например, подземное расположение резервуаров, тепловая изоляция их стенок с помощью различных материалов (Германия), применение предохранительных клапанов

Великобритания, Голландия), устройство двойных стенок, охлаждаемых двухфазными продуктами при его движении к предохранительному клапану (США), водяное орошение стенок резервуара во многих странах. Однако, несмотря на применяемые меры защиты, число аварий, связанных со взрывами баллонов со СУГ в очаге пожара, велико и продолжает увеличиваться. Это является показателем недостаточной совершенности методов противопожарной защиты. Одной из основных причин такого состояния мер противопожарной защиты является то, что во всех этих разработках предлагается использовать отдельно тот или иной метод, в результате чего не обеспечивается необходимая надежность. Проведенный нами анализ аварийных ситуаций и предлагаемых методов их предотвращения показывает, что повышение пожарной безопасности резервуаров со СУГ может быть успешной лишь при комбинировании различных эффективных методов защиты.

Целью диссертационной работы является разработка эффективного способа защиты резервуаров со СУГ обеспечивающего высокий уровень пожарной безопасности.

Для достижения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи:

1) на основе систематических экспериментальных и теоретических исследований разработать комбинированные способы и средства противопожарной защиты, обеспечивающие предотвращение взрыва баллонов со СУГ в очаге пожара;

2) определить эффективность разработанных способов и средств противопожарной защиты баллонов со СУГ в условиях реального пожара, включающего измерения соответствующих параметров в ходе полномасштабных экспериментов;

3) разработать математическую модель, предсказывающую основные характеристики поведения баллонов со СУГ в очаге пожара, с целью сокращения дорогостоящих и не всегда доступных экспериментов по выявлению особенностей поведения баллонов со СУГ в условиях пожара и выбора наиболее эффективных способов их противопожарной защиты;

4) разработать требования по безопасной эксплуатации баллонов со СУГ в жилых помещениях, рекомендации по тактике действий подразделений пожарной охраны в условиях возможного взрыва газовых баллонов в очаге пожара и дополнения к нормам для расчета и проектирования вагонов железнодорожных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных).

В работе приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований, позволившие выявить характер изменения основных параметров системы СУГ - баллон с предохранительным клапаном и огнезащитным или теплозащитным покрытием при воздействии очага горения. На основании этих результатов и их анализа предложены и испытаны более эффективные виды средств противопожарной защиты баллонов со СУГ, чем разработанные раннее.

Впервые предложен комбинированный способ защиты резервуара со СУГ от тепловых нагрузок пожара: использование средств огнезащиты и предохранительного клапана, что существенно повышает пожарную безопасность резервуаров со СУГ (в том числе и баллонов).

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований поведения газовых баллонов с огнезащитным покрытием в очаге пожара.

2. Результаты экспериментальных исследований поведения газовых баллонов с огнезащитным покрытием и предохранительными клапанами в очаге пожара.

3. Теоретическое исследование поведения газовых баллонов с огнезащитным покрытием и предохранительными клапанами в очаге пожара.

4. Эффективный способ защиты резервуаров со СУГ от тепловых нагрузок очага пожара. безопасности в Российской Федерации", Рекомендации по тактике действий пожарной охраны в условиях возможного взрыва газовых баллонов в очаге пожара, дополнения к нормам для расчета и проектирования вагонов железнодорожных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) "Общие технические требования по обеспечению безопасности перевозок при проектировании вагонов-цистерн для опасных грузов".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте" в МИИТе (г. Москва) в 1998 г., на XV научно-практической конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" во ВНИИПО МВД России (г. Москва) в 1999 г., на международном симпозиуме "Proceedings of the Fifth Asta-Pacific International Symposion on Combustion and Energy Utilization" (г. Шанхай) в 1999 г., на международной конференции "Fire Sciene Enqineering Conference Edinburg Conference Centre, Scotland" (г. Эдинбург) в 1999 г., на XII Симпозиуме по горению и взрыву (г. Черноголовка) в 2000 г.

Публикации. Основное содержание выполненных исследований по теме диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах.

выводы

1. На основании систематических исследований динамики изменения давления и температуры стенок в баллонах со СУГ в очаге пожара показано, что эффективным средством увелечения времени пребывания в нем является их покрытие огнезащитным составом. В качестве такого предложен и испытан состав огнезащитный вспенивающийся СГК-1 ТУ 7719-162-00000335-95, подтвердивший свою эффективность в соответствии с предсказанием.

2. Предложена методика определения огнезащитных свойств покрытий в условиях пожара, позволяющая выбрать наиболее эффективное огнезащитное покрытие.

3. На основании собственных и литературных данных по способам и устройствам, позволяющим увеличить время пребывания баллонов в очаге пожара до их разрушения, предложено и осуществлено комбинирование действий огнезащитного покрытия (теплоизоляционного пакета) и предохранительного клапана. Проведены серийные испытания, показывающие высокую эффективность предложенного подхода.

4. На основании систематического исследования поведения баллонов со СУГ разработана математическая модель описывающая динамику параметров системы сжиженный газ - резервуар с предохранительным клапаном - тепловой защитой (таких, как температура, давление и масса газа в резервуаре, температура стенок резервуара и материала тепловой защиты) при воздействии на них теплового потока от пламени. Адекватное описание этой моделью наблюдаемой динамики вышеуказанных парметров системы позволяет рекомендовать ее для предсказания поведения баллонов со СУГ в условиях аварийной ситуации и тем самым существенным образом сократить объем дорогостоящих экспериментов.

5. На основании совокупности проведенных исследований и полученных результатов были разработаны Изменения и Дополнения к Правилам пожарной безопасности, Рекомендации по тактике действий подразделений пожарной охраны в условиях возможного взрыва газовых баллонов в очаге пожара и Дополнения к нормам для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) к "Общим техническим требованиям по обеспечению безопасности первозок при проетировании вагонов-цистерн для опасных грузов".

1. Пожары и пожарная безопасность в 1998 г. Статистический сборник. М. : ГУ ГПС МВД России, ВНИИПО МВД России, 1999, 218 с.

2. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир,1989.

3. Davenport J. A. Hazards and protektion of pressure storaqe and transport of LP-qas.//Journal of Hazardous Materials, 1988, v. 20, № 1-3. P. 3-19.

4. Haastup P., Brockhoff L. Severity of accidents with hazardous materials. A comparison between transporation and fixed installition. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 1990, v. 3, № 4. P. 395-405.

5. Schebeko Yu.N., Shevchuk A.P., Smolin I.M. BLEVE prevention usinq vent devices. //Journal of Hazardous Materials, 1996, v. 50. P. 227-238.

6. Молчанов В.П., Шебеко Ю.Н., Смолин И.М. Пожар на сырьевом парке сжиженных углеводородных газов (СУГ) АО "Синтезкаучук", г. Тольятти. // -Пожаровзрывобезопасность, 1997, т. 6, №2. С. 31-37.

7. Малов Е.А., Дианов И.Н., Митрофанов А.В. Разрушение пропанового баллона в частном доме. // Безопасность труда в промышленности, 1996, №10, с. 13-18.

8. Schoen W., Probst U., Droste В. Experimental investigation of fire protection measures for LPG storage tanks. Proceedings of the 6-th International Symposium on Loss Presention and Safety Promotion in the Process Industries. Oslo: 1989, p. 51/151/16.

9. Roberts A.F., Moodie K. The role of insulating coatings in the fire protection of LPG vessels. Journal of Oil and Colour Chemical Association, 1989, v. 72, №5, p. 192-195.

10. Roberts A.F., Modie K. The role of insulatinq coatinqs in the fire protection of Oil and Colour Chemikal Association, 1989, v. 72, №5. P. 192-195.

11. Birk A.M. An experimental investigation of a cylindrical vessel engulfed in fire with a burning relief valve flare present // Chemical Engineering.

12. Kletz T. Protect pressure vessels from fire // Hydrocarbon Processing, 1977, v. 56, №8, p. 98-102.2Schoen W., Droste B. Brandschutz bei Flussiggas-Lagertanks // TUE, 1988, B. 29, №4, s. 115-119.

13. Birk A.M. Modelling the response of tanks exposed to external fire impingement // Journal of Hazardous Materials, 1988, v. 20, №1-3, p. 197-225.

14. Droste В., Schoen W. Full scale fire tests with unprotected and thermal insulated LPG storage tanks // Journal of Hazardous Materials, 1988, v. 20, №1-3, p. 4153.

15. Moodie K. Experiments and modelling: an overview with particular reference to fire engulfment //Journal of Hazardous Materials, 1988, v. 20, №1-3, p. 149-175.

16. СНиП 2.04.08-87. Газоснабжение. М.: Госстрой, 1988.

17. Стаскевич H.JL, Вигдорчик Д.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. JL: Недра, 1986. 542 с.

18. Взрывные явления: оценка и последствия /Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. М.: Мир, 1986, Т. 1 и 2.

19. Стрижевский И.И. // Безопасность труда в промышленности. 1987. № 4.1. С. 49.

20. Lewis D.//Hazardous Gargo Bull. 1985. V. 6 No. 4. P. 28.

21. Шевчук А.П., Присадков В.И., Косачев A.A., Филипов В.Н., Иванов В.А. Снижение пожаровзрывоопасности железнодорожных цистерн со сжиженным углеводородным газом. Пожаровзрывобезопасность, т.2, №3, 1993, с. 35-38.

22. Aouizerata S., Chailian N., Chevalier J. L. e.a. // R.G. S. 1990. No. 90. Janvier, P. 51.

23. Шебеко Ю.Н., Шевчук А.П., Смолин И.М.// Хим. пром. 1993. № 9, С.451.

24. McDevitt С.А., Chan С.К., Venart J.E.S. //Spill Technol. Newsletter. 1988. V.13. No. 1. P. 17.

25. McDevitt C.A., Chan C.K., Steward F.R., Tennankore K.N. // J. Hazardous Materials. 19990. V. 25. No. 1-2. P. 169.

26. Birk A.M., Anderson R.J., Coppens A.J. // Ibid. P. 121.

27. Intern. Chem. Eng. Symposium, Series No71/Roberts A.F. Oxford, 1982.

28. Ramskill P.K. A description of the "ENGULF" computer codes codes to model the thermal response of an LPG tank either fully or partially engulfed by fire // Journal of Hazardous Materials, 1988, v. 20, № 1-3, p. 177-196.

29. Shepherd J.E., Sturdevant В. //J. Fluid Mechanics. 1982. august, P. 379.

30. Романенков И.Г., Зигерн-Корн В.Н. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов. М.: Строойиздат, 1984. - 193 с.

31. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. -М„ 1991,-228 с.

32. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Крутов A.M., Мельников С.В., Давыдкин Н.Ф. Оптимизация огнезащиты строительных конструкций. // Пожаровзрывобезопасность, т.6, № 1, 1997. С.26-35.

33. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976.

34. Панкратов Б.М., Полежаев Ю.В., Рудько А.К. Взаимодействие материалов с газовыми потоками. М.: Энергия, 1976.

35. Никитин П.В. Разрушение композиционных материалов в нестационарных высокотемпературных струях. // Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов: Тезисы докладов Всесоюзн. научно-технической конференции. М.: МАИ, 1985.

36. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

37. Шебеко Ю.Н. Математическая модель поведения резервуара со сжиженным газом в очаге пожара.// Пожаровзрывобезопасность, 1997, т. 6, №2, с. 17-22.

38. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975,486 с.

39. Справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и A.M. Пономарёвой. JL: Химия, 1983. 232 с.

40. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. JL: Химия, 1982.- 591 с.

41. Рябцев Н.И., Кряжев Б.Г. Сжиженные углеводородные газы. М.: Недра, 1977. 279 с.

42. Машляковский Л.Н., Лыков А.Д., Репкин В.Ю. Органические покрытия пониженной горючести. Л.: Химия, 1989. 183 с.

43. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1988.

44. П.В. Никитин, Н.В. Холодков Тепловая защита летательных аппаратов и их систем. М.: МАИ, 1990.

45. Ройтман М.Я. Противопожарное нормирование в строительстве. М.: Стройиздат, 1985.

46. Полежаев Ю.В., Ф.Б. Юревич Тепловая защита. М.: Энергия, 1976.

47. СНиП 2.04.08-87*. Газоснабжение.

48. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. / Под ред. А.Н. Баратова и А.Я. Корльченко. М., Химия, т. 1,2.

49. Провести исследования поведения баллонов со СУГ с огнезащитным покрытием в очаге пожара: Отчет о НИР, ВНИИПО. М., 1994.

50. Таубкин С.И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы. М., ВНИИПО, 1998.

51. Jarret, D. Е. (1968), "Derivation of British Explosive Safety Distances," Annals of the New York Academy of Sciences, 152, Article 1, pp. 18-35 (October 1968).

52. Baker, W. E„ Kulesz, J. J., Ricker, R. E., Bessey, R. L., Westline, P. S., Parr, V. В., and Oldhan, G. A. (1975), "Workbook for Predicting Pressure Wave and

53. Fragment Effects of Exploding Propellant Tanks and Gas Storage Vessels," NASA Lewis Research Center (November 1975) (reprinted September 1977).

54. Hirsch, F.G. (1968), "Effects of Overpressureon the Ear-A Review," Annals of the New York Academy of Scieces, 152, Article 1, pp. 147 (October 1968).

55. Безродный И.Ф., Борович A.M., Гилетич A.H. Характерные собенности пожаров и зрывов на железнодорожных цистернах для перевозки сжиженных углеводородных газов и методы их ликвидации. // Пожаровзрывобезопасность, 1993, т. 2, №2 С. 23-29.

56. Рекомендации по обеспечению личного состава и пожарной техники при тушении пожаров и ликвидации последствий аварий, связанных с выбросами высокоэнергетических топлив в окружающее пространство. / ВНИИПО МВД России М., 1994.