автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Методика оценки эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью

005061141

Сытдыков Максим Равильевич

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОРОШКОВОГО ОГНЕТУШИТЕЛЯ СО ВСТРОЕННОЙ ПОРИСТОЙ ЕМКОСТЬЮ

(применительно к пожароопасным производственным объектам нефтебаз)

05.26.03 - пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург — 2013

/

005061141

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Поляков Александр Степанович

Официальные оппоненты:

Демёхин Феликс Владимирович, доктор технических наук,

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России,

кафедра пожарной безопасности технологических процессов и производств,

профессор;

Козачук Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент, СУ «Леноргэнергогаз» ОАО «Оргэнергогаз», управление технического надзора, ведущий инженер

Ведущая организация - Санкт-Петербургский филиал федерального государственного бюджетного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России

Защита состоится 23 мая 2013 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.01 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России (196105, Санкт- Петербург, Московский проспект, дом 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

Автореферат разослан «_» апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.01 кандидат технических наук, доцент

Д.Н. Саратов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России и за рубежом производятся миллионы порошковых огнетушителей в трех конструктивных исполнениях (закачные, с баллоном высокого давления и с газогенерирующим устройством), при этом насчитывается несколько сотен типоразмеров огнетушителей, отличающихся техническими характеристиками.

Федеральным законом от 22.07.2008 г. № 123-ФЭ (в редакции от 10.07.2012г.), Правилами противопожарного режима в Российской Федерации (2012г.) и Российским Морским Регистром судоходства (2009г.) предусмотрена комплектация порошковыми огнетушителями пожароопасных производственных объектов нефтебаз и аналогичным им расходных складов предприятий (морских, речных, трубопроводных, автомобильных, железнодорожных), обеспечивающих прием, хранение и отгрузку нефтепродуктов.

Опыт эксплуатации и испытаний показывает, что существенным недостатком огнетушителей этого типа является большой остаток огнетушащего порошкового состава (ОПС), хотя, согласно нормам, он не должен превышать 15% от первоначальной массы. Это обстоятельство объясняется, главным образом, несовершенством способа вытеснения ОПС на основе использования сифонной трубки.

В 2011 году в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России разработана принципиально новая модель порошкового огнетушителя без сифонной трубки (Поляков A.C., Кожевин Д.Ф., патент RU № 106543), в котором порошок содержится в пористой емкости, встроенной в корпус огнетушителя. Ранее проведенные испытания патентованной полезной модели показали ее преимущества по сравнению с известными конструкциями, но при этом не были проведены всесторонние исследования по оценке факторов, определяющих эффект вытеснения ОПС из огнетушителя.

Недостаточная разработанность методического обеспечения в части конструктивного исполнения порошковых огнетушителей обусловила выбор

направления настоящего исследования, которое является составной частью реализуемой в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России концепции по созданию нового поколения огнетушителей со встроенной пористой емкостью для содержания ОПС.

Цель исследования — совершенствование методики оценки эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью для содержания ОПС.

Научная задача исследования — экспериментально-теоретическое обоснование закономерностей, определяющих эффект истечения ОПС из огнетушителей со встроенной пористой емкостью, включая:

обоснование перечня и структуры комплексных показателей эффективности;

определение влияния гранулометрического состава ОПС на эффект его истечения;

обоснование конструкции порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью, обеспечивающей повышенный выход ОПС.

Объект исследования — конструкции и технические характеристики порошковых огнетушителей.

Предмет исследования — методика расчета и оценки показателей, определяющих эффект истечения ОПС из порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью.

Методы исследования: общенаучные (аналогии, анализа размерностей, подобия, математической обработки результатов исследования) и экспериментальные (определение гранулометрического состава дисперсных сред, методы испытаний огнетушителей).

Научная новизна результатов заключена:

- в теоретическом обосновании структуры комплексных показателей и расчетных зависимостей, обобщенно оценивающих эффект истечения ОПС;

- в методиках оценки дальности полета струи и однородности распыления

ОПС;

- в оценке влияния гранулометрического состава ОПС на эффект их истечения;

- в экспериментальном и теоретическом обосновании конструкции физической модели порошкового огнетушителя, обеспечивающей повышенный выход ОПС.

Практическая значимость результатов заключена в повышении уровня безопасности пожароопасных производственных объектов нефтегазового комплекса на основе применения порошковых огнетушителей со встроенной пористой емкостью для содержания ОПС.

Реализация работы. Результаты диссертационного исследования использованы в образовательном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Основные положения, выносимые на защиту:

перечень и структура комплексных показателей для расчета эффективности истечения огнетушащего порошкового состава;

способы оценки распределения массы частиц огнетушащего порошкового состава в нестационарном газовом потоке и определения длины струи;

экспериментальное и теоретическое обоснования конструкции порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью из эластичного упруго-деформируемого материала.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях и семинарах:

1. Международная научно-практическая конференция «Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах при проведении поисковых и аварийно-спасательных работ». - Вытегра: УСЦ «Вытегра» МЧС России. - 2012.

2. Международная научно-практическая конференция «Транспорт России: проблемы и перспективы 2012». — Санкт-Петербург: Институт проблем транспорта РАН. - 2012.

3. Международная научно-практическая конференция «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций». - Санкт- Петербург: СПб УГПС МЧС России. - 2012.

4. Постоянно действующий семинар секции «Проблемы транспорта и транспортных сооружений» Федерального государственного бюджетного учреждения культуры «Дом учёных им. A.M. Горького Российской академии наук». — Санкт-Петербург: Институт проблем транспорта РАН. - 2012.

5. Тринадцатая Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы защиты и безопасности». - Санкт-Петербург: РАРАН, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 4 — в изданиях по перечню ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов и рекомендаций, перечня использованных источников и девяти приложений. Общий объем работы 115 страниц, в т.ч. 67 рисунка и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор темы диссертации, ее актуальность, цель, научная задача, объект и предмет исследования, приведены методы исследования, отражены научная новизна и положения, выносимые на защиту, а также - сведения об апробации и реализации результатов исследования, выполненного в соответствии со структурой, представленной на рисунке 1.

Методика оценки эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой

емкостью

_(применительно к пожароопасным производственным объектам нефтебаз)_

Г

_1. Состояние вопроса, обоснование цели и задач исследования_

1.1 Применение порошковых огнетушителей на пожароопасных производственных _объектах нефтегазового комплекса_

1.2 Современные конструкции порошковых огнетушителей

1.3 Огнетушащие порошки общего назначения

1.4 Технические требования к пористым сосудам для огнетушащих порошков

1.5 Методы оценки эффективности порошковых огнетушителей

1.6 Обоснование цели и постановка задач исследования

2. Теоретическое обоснование эффективной конструкции порошкового огнетушителя _со встроенной пористой емкостью_

2.1 Оценка технического эффекта истечения порошкового состава в современных _конструкциях огнетушителей_

2.2 Выбор методов оценки эффекта истечения О! 1С "Ц-

2.3 Теоретическая оценка технического эффекта истечения ОНС

2.4 Обоснование направления совершенствования конструкции огнетушителей со _встроенной пористой емкостью_

3. Методы экспериментального исследования эффективности истечения ОПС

3.1 Определение характеристик ОПС

3.2 Определение дальности струи ОПС_

3.3 Оценка влияния типа запорно-регулирующего устройства на эффект истечения

ОПС

4. Оценка эффективности экспериментального макета огнетушителя

4.1 Предварительный эксперимент по выбору конструктивных характеристик _пористой емкости_

4.2 Оценка технической эффективности макета огнетушителя со встроенной _пористой емкостью_

Общие выводы и предложения но повышению эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью

Рисунок 1 - Структура диссертационного исследования

В первой главе «Состояние вопроса, обоснование цели и задач исследования» представлены результаты анализа применения порошковых огнетушителей на пожароопасных производственных объектах нефтегазового комплекса и оценки их эффективности.

Установлено, что существенным недостатком конструкции некоторых порошковых огнетушителей является неполнота выхода ОПС. Это возникает из-за несовершенства способа вытеснения, использующего сифонную трубку.

Рассмотрены результаты исследований В.В. Пивоварова (ВИПТШ, 1988 г.) и Д.Ф. Кожевина (СПБ УГПС МЧС РФ, 2011г.) и выявлено, что в настоящее время не существует общепризнанных методик и показателей, позволяющих проводить комплексную оценку эффективности огнетушителей.

Предложенный В.В. Пивоваровым интегральный показатель не раскрывает сути процесса тушения, а только отражает отношение единичного параметра к цене огнетушителя, при этом огнетушащая способность, в свою очередь, определяется экспериментально. В связи с этим его результаты не могут быть применены для оценки эффективности вновь разрабатываемых конструкций огнетушителей.

Рейтинговый показатель и модель огнетушителя со встроенной пористой емкостью (предложенные Д.Ф. Кожевиным) обладают новизной и полезностью, но также не раскрывают сути оценки эффективности порошковых огнетушителей, в частности, направлений совершенствования пневматического тракта движения ОПС.

Исходя из изложенных обстоятельств, возникла необходимость в методике оценки эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью, которая учитывала бы основные технические параметры огнетушителя и пневматического тракта движения ОПС. Такая методика позволит прогнозировать огнетушащую способность проектируемых огнетушителей.

Во второй главе «Теоретическое обоснование эффективной конструкции порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью» методом

анализа размерностей обоснована структура безразмерных комплексных показателей, учитывающих специфику конструкции пневматического тракта порошковых огнетушителей.

Этому этапу работы предшествовал анализ статистических данных, который показал, что однотипные огнетушители имеют неодинаковые энергетические затраты на вытеснение порошка в очаг пожара. Поэтому проведено обследование наиболее распространенных сертифицированных типоразмеров огнетушителей (ОП-1, ОП-2, ОП-4, ОП-5, ОП-8), выпущенных несколькими производителями Северо-Западного региона России.

Результаты обследования и измерений (после экспериментального срабатывания, без тушения очага пожара) представлены на рисунке 2, в

огнетушителях: а) со срезом; б) без среза: 1 — корпус огнетушителя; 2 - сифонная трубка, Ъ —высота среза трубки, /г, -расстояние от дна до низа трубки, /г - высота трубки, Н -высота корпуса

Таблица 1 - Характеристики обследованных огнетушителей

№ п/п Типоразмер огнетушителя Рабочее давление в огнетушителе, МПа Масса заряда ОПС, кг Дальность полета струи ОПС, м Объем газа в огнетушителе, м3-10"3 Энергия сжатого газа, кДж Удельная энергия истечения, кДж/кг

1 2 3 4 5 6 7 8

1 ОП-1 1,4 1,0 3,0 0,41 0,58 0,58

2 ОП-2 1,4 2,0 2,0 0,57 0,80 0,40

3 1,4 2,0 2,0 0,57 0,80 0,40

4 ОП-4 1,6 4,0 3,5 1,15 1,84 0,46

1 2 3 4 5 6 7 8

5 ОП-4 1,2 4,0 3,5 1,15 1,38 0,34

6 ОП-5 1,4 4,0 3,5 0,68 0,95 0,24

7 1,6 3,7 4,5 1,63 2,61 0,71

8 ОП-8 1,4 8,0 4,5 1,41 1,97 0,25

9 1,4 8,0 4,5 1,41 1,97 0,25

Таблица 2 - Характеристики элементов конструкции обследованных __ огнетушителей ___

Типоразмер огнетушителя Конструкция сифонной трубки* Высота сифонной трубки А, мм Внутренний диаметр сифонной трубки ¿1, мм Расстояние от дна огнетушителя до сифонной трубки /¡1, мм Высота среза сифонной трубки Ь, мм Высота огнетушителя Н, мм Остаток ОПС в огнетушителе М\

кг %

ОП-1 Без среза 150,00 8,20 24,00 - 180,00 0,52 52,0

ОП-2 Без среза 172,00 8,00 42,00 - 220,00 0,68 34,0

Со срезом 201,00 10,00 13,00 17,70 220,00 0,31 15,5

ОП-4 Без среза 383,00 11,00 5,00 - 394,00 0,05 1,25

Со срезом 373,00 11,00 15,00 19,10 394,00 1,80 45,0

ОП-5 Без среза 245,00 10,00 21,00 - 272,00 0,53 13,3

Со срезом 271,00 9,00 33,00 16,30 310,00 1,02 27,6

ОП-8 Со срезом 470,00 14,50 4,00 14,50 480,00 1,22 15,3

464,00 14,50 10,00 15,80 480,00 0,98 12,3

* Конструкция сифонной трубки без среза приведена на рисунке 2,а, со срезом — на рисунке 2,6.

По результатам анализа статистических данных (за 1996-2010 гг.) и натурного обследования определены величины, описывающие исследуемый процесс истечения ОПС из огнетушителя (таблица 3).

Таблица 3 -Перечень показателей, влияющих на полноту истечения ОПС

№ п/п Единичные показатели Символ Формула размерности

1 Рабочее давление в огнетушителе Р кг-м"'-^

2 Объем газа в огнетушителе Vг м3

3 Масса заряда ОПС Л/опс кг

4 Время истечения ОПС Г с

5 Высота сифонной трубки Л м

6 Внутренний диаметр сифонной трубки а м

7 Расстояние от дна огнетушителя до начала среза сифонной трубки Ь+к1 м

8 Длина струи ОПС 1 м

Методом анализа размерностей образованы безразмерные комплексные показатели, физическая сущность которых отражена в таблице 4.

Таблица 4 - Физическая сущность безразмерных комплексных показателей

№ п/п Комплексный показатель Физическая сущность комплексного показателя

1 мопс Характеризует потери энергии газа на входе в сифонную трубку в зависимости от величины зазора, массы заряда порошка, динамических сил давления и сил вязкого трения

2 р-к 1 р-т4 J Характеризует отношение потенциальной энергии газа к затратам энергии по вытеснению и доставке массы заряда порошка в очаг пожара

3 Л Характеризует потери энергии газа от соотношения высоты и диаметра сифонной трубки (является множителем в известном уравнении Дарси-Вейсбаха для расчета потерь энергии по длине трубопроводов)

Из сущности комплекса тг6 следует, что величина

Р-т4

является

полезной энергией, совершаемой по вытеснению и доставке массы заряда порошка в очаг пожара из огнетушителя, а произведение (Р-К) - полной (суммарно затраченной) ее величиной. Из этого следует, что величина, обратная комплексу к6, является коэффициентом полезного действия огнетушителя:

Р-т4

Р-К

(2.1)

Следовательно, оценка конструктивного совершенства (технического эффекта) порошковых огнетушителей может быть методически упрощена и сведена к сравнению величин коэффициентов полезного действия исследуемых образцов. Минимальная сумма потерь энергии является критерием технического эффекта, который позволяет определить пути совершенствования порошкового огнетушителя типовой конструкции и со встроенной пористой емкостью.

Коэффициент полезного действия огнетушителя находят по зависимости:

Р-т'

+А

Лоп =-

Р-К 11

(2.2)

где А\ — работа, затраченная на приведение ОПС в аэрозольное состояние в ходе адиабатного процесса расширения воздуха:

А =

Кг*

1-

V"!

'г|

V \га ;

(2.3)

Г-1

у - показатель адиабаты (коэффициент Пуассона);

Ки К2 - объем газа начальный (до расширения) и конечный (после расширения) соответственно.

Полученные результаты позволяют сделать очевидные выводы:

- необходимо скорректировать конструкторскую документацию и ужесточить требования по соблюдению ее при производстве, сертификационных испытаниях и эксплуатации огнетушителей в части размеров, влияющих на полноту выхода ОПС при тушении пожаров;

- при проектировании огнетушителей следует учитывать, что комплекс тг6, характеризующий отношение потенциальной и кинетической энергий, изменяется заметным образом (до 4-х раз), при этом меньшее его значение указывает на большую долю, затраченную на доставку ОПС к очагу пожара;

- объем выборки обследованных огнетушителей (таблица 1) ограничен экономическими соображениями, что не позволяет с научной достоверностью представить здесь экспериментальные аналитические зависимости между показателями, описывающими процесс истечения ОПС, поэтому необходимо дальнейшее накопление статистических данных в этом направлении исследования;

- расчетные значения коэффициента полезного действия некоторых серийных порошковых огнетушителей находятся на уровне не более 7%, что свидетельствует о несовершенстве их конструкции.

Изложенный метод оценки использован при проектировании моделей порошковых огнетушителей со встроенной пористой емкостью.

В третьей главе «Методы экспериментального исследования эффективности истечения ОПС» представлены обоснования авторских

разработок в части экспериментального исследования моделей порошковых огнетушителей.

Способ определения длины струи ОПС. Известные методические приемы, применяемые для оценки величины длины струи ОПС, неоднозначны, обладают низкой точностью измерения (0,5-1,0) м, неконкретностью правил выполнения процедур, требуют проведения специальных опасных огневых испытаний. В связи с этим разработан способ определения длины струи ОПС на модельных очагах пожара, приемлемых для проведения лабораторных испытаний по условиям пожарной безопасности.

Расчеты показали, что полное или частичное (близкое) подобие условий тушения обеспечивается:

1) соблюдением величин начальных скоростей и импульсов истечения ОПС и вытесняющего газа в полноразмерных и модельных огнетушителях;

2) равенством и постоянством характеристик давления, температуры и влажности окружающей среды в местах размещения огнетушителей, очагов пожара и по трассе полета струи ОПС (комнатные условия, согласно ГОСТ Р 51057-2001);

3) соблюдением условий тепловыделения модельных очагов пожара. Лабораторный модельный очаг 13В/306 представляет собой парафиновую свечу в металлическом корпусе диаметром 40 мм. Теплота сгорания парафина — 47-50 (МДж/кг), скорость выгорания - около 0,02 см/мин. Стандартный модельный очаг 13В - круглый стальной противень диаметром 700 мм. Теплота сгорания бензина - 51 МДж/кг, скорость выгорания — около 0,6 см/мин. Эти условия обеспечивают отношение теплоотдачи рассматриваемых очагов горения на уровне около 1:1500 (свечей);

4) соблюдением значений масс ОПС, приходящихся на единицу площади стандартного модельного очага пожара 13В и лабораторного - 13В/306 (около 0,26 г/см2);

5) применением одних и тех же марок порошков («Фоскон 430»).

Работоспособность методики подтверждена результатами срыва пламени воздухом и порошком из модели порошкового огнетушителя, представленными на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 — Схема размещения объектов эксперимента по срыву пламени: а) воздухом; б) ОПС марки «Фоскон 430» (фракция 45-499 мкм): 1 - модель огнетушителя ПС-С; 2 — горящая свеча; 3 — потухшая свеча; 4 — облако ОПС

• : ! 1

! л ' __

1,0 0,8 • Л

•

X'

/

1).4 5 0,2 0,4 0,6

0123456789 10

/„„„•10» м/с

Рисунок 4 - Зависимость длины струи от импульса воздушной массы: ▲ - срыв пламени,• — тушение пламени на лабораторной модели 13В/306; ■ - по результатам сертификационных испытаний полноразмерных моделей

ОП-1 на очаге 13В

Результаты экспериментов подтвердили возможность определения дальности полета струи ОПС в лабораторных условиях. Они показывают, что в лабораторных испытаниях моделей огнетушителей со встроенной пористой емкостью можно обойтись без проведения огневых испытаний, если внести соответствующую поправку: Ь = ¿срь1!И + 1,0 м . Это вполне допустимо, поскольку результаты лабораторных испытаний являются предварительными. Окончательные результаты должны быть получены в условиях, предусмотренных ГОСТ 51057-2001.

Таким образом, разработанный способ определения длины струи ОПС отличается значительным уменьшением геометрических размеров очага пожара и модели порошкового огнетушителя при соблюдении законов геометрического, аэродинамического и теплового подобий.

Способ оценки распределения массы частиц ОПС разработан в связи с необходимостью изучения плотности распределения частиц ОПС на площади пожара, осаждающихся из нестационарного газового потока.

Сущность его заключается в сборе на подложки (например, бумага со строго определенными размерами сторон), заранее размещенными на прогнозируемую площадь осаждения (с геометрическими размерами Ь и Ь), частиц распыленного ОПС. Подложки предварительно нумеруют и взвешивают. Нестационарный газовый поток ОПС создается испытываемым огнетушителем или его моделью. Время полного осаждения ОПС принимают не менее величины, необходимой для осаждения частиц самой мелкой его фракции. По массе частиц, осевших на подложках, судят о характере распределения ОПС в нестационарном газовом потоке. Для этого по подложкам с нулевой массой частиц строят граничную линию осаждения ОПС (рисунок 5, линия 1).

1 о-м,

□ □ 0-М2

□ □ □ Н-Мз

□ □ □ □ и-м»

□ □ □ □ И-М5

□ о о о а - Мб оп

Рисунок 5 - Распределение массы частиц ОПС по подложкам: ОП - модель огнетушителя; 1 - граничная линия осаждения ОПС

Описанный прием повторяют для каждой из исследуемых фракций порошка. По результатам исследования строят рисунок, характеризующий распределения массы частиц ОПС, осевшего из нестационарного газового потока (рисунок 6).

Рисунок 6 - Распределения массы частиц ОПС, осевшего из нестационарного газового потока: ОП - модель огнетушителя; 1, 2, 3, 4, - граничные линии для фракций №№ 1, 2, 3,4 порошка 16

Разработанные методики определения длины струи ОПС и концентрации частиц в ней устраняют необходимость проведения пожароопасных экспериментов в лабораторных условиях, при одновременном обеспечении практической потребности в достоверности и точности получаемых результатов. На методику определения концентрации частиц в нестационарном газовом потоке подано заявление о выдаче патента (per. № 2012153063/28(084479) от 30.11.2012 г.).

В связи со значительными затратами энергии на вытеснение ОПС, проведены испытания конструкции запорно-регулирующей арматуры огнетушителей. Экспериментальные данные по оценке влияния типа запорно-регулирующего устройства при различных значениях начальной массы заряда ОПС на величину его остатка (на основе использования критерия Фишера) показали, что использование быстродействующего запорно-регулирующего устройства является наиболее приемлемым по энергетическим соображениям, однако ручное управление этим устройством невозможно. Поэтому дальнейшее направление исследования эффективности процесса истечения ОПС выбрано с использованием модели порошкового огнетушителя с шаровым краном, применение которого позволяет регулировать процесс истечения ОПС.

В четвертой главе «Оценка эффективности экспериментального макета огнетушителя» представлены результаты лабораторных испытаний конструкций порошковых огнетушителей со встроенной пористой емкостью из эластичного упруго-деформируемого материала и дана оценка их эффективности.

Целью исследования является выбор конструктивных характеристик пористой емкости, которые обеспечат наибольшую полноту выхода ОПС при срабатывании огнетушителя. Схемы полноразмерных макетов огнетушителей (условные шифры ПС-ФЭ и ПС-Ф) представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Макеты порошковых огнетушителей: а) ПС-ФЭ; б) ПС-Ф:

1 - эластичный сосуд; 2 - зона пористости; 3 - порошок; 4 - корпус огнетушителя; 5 - колпак (головка) огнетушителя; 6 - заправочное отверстие с обратным клапаном; 7 - выпускной кран; 8 — кожух; 9 - воздух от зарядного устройства; 10 - порошково-воздушная взвесь; 11 - сосуд из пористого

материала

Макеты огнетушителей ПС-ФЭ и ПС-Ф принципиально одинаковы. Различие заключено в конструкции пористого сосуда. Макет ПС-ФЭ имеет пористый сосуд формы, близкой к сфере, оболочка которого выполнена из эластичного упруго-деформируемого материала. Макет ПС-Ф имеет пористый сосуд цилиндрической формы, верхняя часть которого выполнена из сплошного материала, а нижняя — имеет пористость.

Эластичный материал пористого сосуда макета ПС-ФЭ является упругим поршнем, передающим энергию вытесняющего газа ОПС в форме стартового (начального) импульса и при последующем истечении в атмосферу за счет произвольного изменения формы.

Результаты испытания модели порошкового огнетушителя ПС-ФЭ представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты испытания модели порошкового огнетушителя ПС-ФЭ

№ п/п Тип сосуда Объем сосуда, •10'3 м3 Рабочее давление Р, МПа А> о, кгм/с Масса навески М, ■10"3 кг Лтр.0, ТО3 м/с Масса остатка М\

по воздуху по ОПС •10 кг %

1 Сосуд перфорированный без пластикового корпуса 0,05 0,4 4,95 20,00 0,78 247,30 0,15 0,75

2 Сосуд перфорированный без пластикового корпуса 0,07 0,4 4,74 71,50 0,78 66,33 2,15 3,00

3 Сосуд перфорированный без пластикового корпуса 0,07 0,4 4,78 62,05 0,78 77,04 1,60 2,60

4 Сосуд перфорированный без пластикового корпуса 0,07 0,4 4,82 52,05 0,78 92,60 1,15 2,20

5 Сосуд перфорированный с пластиковым корпусом 0,07 0,4 4,74 72,05 0,78 65,80 2,95 4,03

Из данных таблицы 5 видно, что конструкция модели порошкового огнетушителя ПС-ФЭ способна обеспечить почти 100% опорожнение ОПС (в зависимости от плотности и гранулометрического состава порошка), тогда как у серийных образов остаток ОПС иногда достигает 50%, что указывает на перспективность разработки такого вида огнетушителей.

На порошковый огнетушитель типа ПС-ФЭ подано заявление о выдаче патента на полезную модель (per. № 2013103464/20(004933) от 18.01.2013 г.).

В заключении изложены новые научные результаты, приведены сведения об их внедрении, сделаны выводы и практические предложения, подтверждающие решение поставленной научной задачи:

1. Перечень и структура комплексных показателей для расчета эффективности истечения огнетушащего порошкового состава, сформированные общепризнанными методами аналогии и анализа размерностей, могут быть применены ко всем существующим и проектируемым конструкциям порошковых огнетушителей.

2. Способы оценки распределения массы частиц огнетушащего порошкового состава в нестационарном газовом потоке и определения длины струи позволяют получить объективные данные о характере распределения массы осевших частиц огнетушащего порошкового состава на площади пожара и величине длины струи в лабораторных условиях (без проведения огневых испытаний), что существенно снижает опасность процедуры подтверждения соответствия огнетушителей установленным требованиям.

3. Разработанная полезная модель порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью из эластичного упруго-деформируемого материала, позволяющая обеспечить почти 100% опорожнение огнетушащего порошкового состава, является перспективной для развития этого вида индивидуальных средств пожаротушения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Ведущие рецензируемые научные журналы и издания по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Сытдыков М.Р. Оценка совершенства пневматического тракта порошковых огнетушителей на основе метода анализа размерностей / М.Р.

Сытдыков, Д.Ф. Кожевин, A.C. Поляков // Пожаровзрывобезопасность. — Москва: ПОЖНАУКА. - 2012. - № 24. - С. 51-54 - 0,6/0,2 п.л.

2. Сытдыков М.Р. Полезная модель порошкового огнетушителя с пористым сосудом для огнетушащего состава / Д.Ф. Кожевин, М.Р. Сытдыков, A.C. Поляков // Пожаровзрывобезопасность. - Москва: ПОЖНАУКА. — 2012. — № 21. - С. 79-82 - 0,6/0,2 п.л.

3. Сытдыков М.Р. Оценка характеристик порошковых огнетушителей, определяющих полноту вытеснения огнетушащего состава / М.Р. Сытдыков, Д.Ф. Кожевин, A.C. Поляков // Проблемы управления рисками в техносфере. -Санкт-Петербург: СПб УГПС МЧС России. - 2011. - №4 (20). - С. 16-24 -0,9/0,3 пл.

4. Сытдыков М.Р. Пожарная опасность материалов и сред, применяемых при постройке и ремонте судов / Ю.В. Гремин, Е.В. Любимов, М.Р. Сытдыков // Проблемы управления рисками в техносфере. — Санкт-Петербург: СПб УГПС МЧС России. - 2010. - №4 (16). - С. 16-22 - 0,5/0,2 п.л.

Публикации во всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

5. Сытдыков М.Р. Порошковый огнетушитель с пористым сосудом для содержания огнетушащего состава: анализ, сравнение, применение / Д.Ф. Кожевин, М.Р. Сытдыков, A.C. Поляков // Надзорная деятельность и судебная экспертиза в системе безопасности. - Санкт-Петербург: СПб УГПС МЧС России. - 2012. - № 1. - С. 10-17 - 0,8/0,3 п.л.

6. Сытдыков М.Р. О применимости огнетушащих веществ на морских объектах / Ю.В. Гремин, Е.В. Любимов, И.С. Демченко, М.Р. Сытдыков // Вопросы оборонной техники. - Санкт-Петербург: Информтехника. - 2010. -Серия 16. - Вып. 7-8. - С. 65-70 - 0,6/0,2 п.л.

7. Сытдыков М.Р. Ограничения по применению огнетушащих средств на судах и средствах океанотехники / Ю.В. Гремин, Е.В. Любимов, М.Р. Сытдыков // Актуальные проблемы защиты и безопасности. - Санкт-Петербург: РАРАН, 2010. - С. 285-290 - 0,6/0,2 п.л.

Подписано в печать 17.04.2013 Формат 60x84 1/16

Печать цифровая Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149 22

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

сытдыков

Максим Равильевич

Методика оценки эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью

(применительно к пожароопасным производственным объектам

нефтебаз)

Специальность 05.26.03 - пожарная и промышленная безопасность

СО

<о о

(нефтегазовая отрасль)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Поляков A.C.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

Содержание

Введение...................................................................................................................3

Глава 1 Состояние вопроса, обоснование цели и задач исследования..............8

1.1 Применение порошковых огнетушителей на пожароопасных производственных объектах нефтегазового комплекса......................................8

1.2 Современные конструкции порошковых огнетушителей....................10

1.3 Огнетушащие порошки общего назначения..........................................23

1.4 Технические требования к пористым сосудам для огнетушащих порошков................................................................................................................30

1.5 Методы оценки эффективности порошковых огнетушителей............33

1.6 Обоснование цели и постановка задач исследования..........................36

Глава 2 Теоретическое обоснование эффективной конструкции порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью.....................37

2.1 Оценка технического эффекта истечения порошкового состава в современных конструкциях огнетушителей......................................................37

2.2 Выбор методов оценки эффекта истечения ОПС........................................52

2.3 Теоретическая оценка технического эффекта истечения ОПС..................59

2.4 Обоснование направления совершенствования конструкции

огнетушителей со встроенной пористой емкостью...........................................68

Глава 3 Методы экспериментального исследования эффективности истечения ОПС......................................................................................................72

3.1 Определение характеристик ОПС.................................................................73

3.2 Определение дальности струи ОПС..............................................................90

3.3 Оценка влияния типа запорно-регулирующего устройства на эффект

истечения ОПС......................................................................................................96

Глава 4 Оценка эффективности экспериментального макета огнетушителя.........................................................................................................99

4.1 Предварительный эксперимент по выбору конструктивных характеристик пористой емкости........................................................................99

4.2 Оценка технической эффективности макета огнетушителя со

встроенной пористой емкостью.........................................................................105

Заключение..........................................................................................................109

Общие выводы и предложения по повышению эффективности

порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью...................110

Литература...........................................................................................................111

Приложение А.....................................................................................................116

Приложение Б......................................................................................................118

Приложение В......................................................................................................126

Приложение Г......................................................................................................131

Приложение Д.....................................................................................................133

Приложение Е......................................................................................................147

Приложение Ж.....................................................................................................150

Приложение И.....................................................................................................155

Приложение К......................................................................................................169

»

Введение

Вопросы применения первичных средств тушения пожаров на пожароопасных производственных объектах нефтебаз, морских плавучих установок для добычи, хранения и отгрузки нефти и морских судах достаточно актуальны и могут оказать значительное влияние на различные элементы обеспечения их живучести и обитаемости.

Федеральным законом от 22.07.2008 г. № 123-ФЭ (в редакции от 10.07.2012г.), Правилами противопожарного режима в Российской Федерации (2012г.) и Российским Морским Регистром судоходства (2012г.) предусмотрена комплектация порошковыми огнетушителями пожароопасных производственных объектов нефтебаз и аналогичным им расходных складов предприятий (морских, речных, трубопроводных, автомобильных, железнодорожных), обеспечивающих прием, хранение и отгрузку нефтепродуктов [1-2].

Потребность в огнетушителях обеспечивается, в основном, отечественной промышленностью, ежегодно производящей около 2,3 миллиона огнетушителей. Наибольшая доля из них приходится на порошковые огнетушители, поэтому необходимость их совершенствования вполне очевидна.

Опыт эксплуатации и испытаний показывает, что одним из существенных недостатков конструкции порошковых огнетушителей является неполнота выхода огнетушащего порошкового состава (ОПС), что официально закреплено нормативным документом на уровне не более 15% [3]. Имеются подтвержденные факты, когда остаток ОПС в корпусе огнетушителя достигал в среднем около 30 % [4]. К сожалению, это не единичные случаи, поэтому они заслуживают самостоятельного изучения, поскольку подрывают доверие потребителя к первичным средствам пожаротушения, призванным защищать человека и его имущество на начальном этапе возгорания.

Анализ развития конструкции порошковых огнетушителей показал, что длительное время она остается неизменной. Основной недостаток заключен в несовершенстве способа вытеснения ОПС, использующего сифонную трубку, при котором некоторая часть вытесняющего газа из корпуса огнетушителя прорывается сквозь толщу ОПС и уходит в атмосферу, не совершая полезной работы.

В 2011 году в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России разработана принципиально новая модель порошкового огнетушителя без сифонной трубки (Поляков A.C., Кожевин Д.Ф., патент RU № 106543), в котором порошок содержится в пористой емкости, встроенной в корпус огнетушителя. Ранее проведенные испытания патентованной полезной модели показали ее преимущества по сравнению с известными конструкциями, но при этом не были проведены всесторонние исследования по оценке факторов, определяющих эффект вытеснения ОПС из огнетушителя.

Недостаточная разработанность методического обеспечения в части конструктивного исполнения порошковых огнетушителей обусловила выбор направления настоящего исследования, которое является составной частью реализуемой в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России концепции по созданию нового поколения огнетушителей со встроенной пористой емкостью для содержания ОПС.

Цель исследования - совершенствование методики оценки эффективности порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью для содержания ОПС.

Научная задача исследования - экспериментально-теоретическое обоснование закономерностей, определяющих эффект истечения ОПС из огнетушителей со встроенной пористой емкостью, включая:

обоснование перечня и структуры комплексных показателей эффективности;

определение влияния гранулометрического состава ОПС на эффект его истечения;

обоснование конструкции порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью, обеспечивающей повышенный выход ОПС.

Объект исследования - конструкции и технические характеристики порошковых огнетушителей.

Предмет исследования - методика расчета и оценки показателей, определяющих эффект истечения ОПС из порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью.

Методы исследования: общенаучные (аналогии, анализа размерностей, подобия, математической обработки результатов исследования) и экспериментальные (определение гранулометрического состава дисперсных сред, методы испытаний огнетушителей).

Научная новизна результатов заключена:

- в теоретическом обосновании структуры комплексных показателей и расчетных зависимостей, обобщенно оценивающих эффект истечения ОПС;

- в методиках оценки дальности полета струи и однородности распыления ОПС;

- в оценке влияния гранулометрического состава ОПС на эффект их истечения;

- в экспериментальном и теоретическом обосновании конструкции физической модели порошкового огнетушителя, обеспечивающей повышенный выход ОПС.

Практическая значимость результатов заключена в повышении уровня безопасности пожароопасных производственных объектов нефтегазового комплекса на основе применения порошковых огнетушителей со встроенной пористой емкостью для содержания ОПС.

Достоверность научных результатов обеспечена:

построением теоретических зависимостей с использованием известных базовых методов аналогии и анализа размерностей, физического и математического моделирования;

использованием современных методик сбора и обработки результатов измерений физических величин, определяющих эффективность истечения огнетушащего состава из порошковых огнетушителей;

использованием при проведении экспериментальных исследований сертифицированных и поверенных технических средств измерений;

качественным и количественным согласием результатов модельного и натурного экспериментов по оценке эффективности истечения огнетушащего состава из порошковых огнетушителей. На защиту выносятся:

перечень и структура комплексных показателей для расчета эффективности истечения ОПС;

способы оценки распределения массы частиц ОПС в нестационарном газовом потоке и определения длины струи;

экспериментальное и теоретическое обоснования конструкции порошкового огнетушителя со встроенной пористой емкостью из эластичного упруго-деформируемого материала.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 5-х научных конференциях и семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из

них 4 - в изданиях по перечню ВАК.

Реализация работы. Результаты диссертационного исследования

использованы в образовательном процессе Санкт-Петербургского

университета ГПС МЧС России.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения,

четырех глав, заключения, перечня использованных источников и девяти

6

приложений. Общий объем работы 115 страниц, в т.ч. 67 рисунков и 18 таблиц.

Структура выполненного исследования приведена на рисунке В.1.

Рисунок В.1 - Структура диссертационного исследования

Глава 1 Состояние вопроса, обоснование цели и задач исследования

Известными работами, посвященными эффективности огнетушителей, являются диссертации В.В.Пивоварова (ВИППП МВД СССР, 1988г.[5]) и Д.Ф. Кожевина (СПб университет ГПС МЧС РФ, 2011г.[4]).

Давность выполнения первой диссертации исключает необходимость подробного анализа изложенных в ней вопросов, поскольку они касались всех типов огнетушителей, и тем более, что они детального рассмотрены в работе [4].

Исходя из опубликованных результатов [4], целесообразно далее детально рассмотреть вопросы, определяющие эффективность только порошковых огнетушителей и их новой полезной модели со встроенным пористым сосудом для содержания ОПС, в том числе:

- общие технические требования к порошковым огнетушителям и их конструкции;

- общие технические требования к огнетушащим порошкам общего назначения и методы их испытаний в сравнении с фактическим состоянием дел;

- технические требования к оболочкам пористых сосудов, пригодных для содержания огнетушащих порошков;

- методы оценки эффективности порошковых огнетушителей.

1.1 Применение порошковых огнетушителей на пожароопасных производственных объектах нефтегазового комплекса

По оценкам 2011 года, совокупная потребность только нефтебаз России в порошковых огнетушителях составляла порядка 1,2 миллиона единиц [4].

Область применения порошковых огнетушителей постоянно расширяется с появлением ряда новых специфических объектов нефтегазового комплекса. К ним следует отнести буровые платформы и плавучие установки для разработки морских нефтегазовых месторождений [6, 7]. Поэтому при рассмотрении применения средств тушения пожаров на традиционных пожароопасных производственных объектах нефтебаз, дополнительно следует учитывать потребности морских плавучих установок для добычи, хранения и отгрузки нефти (таблица 1.1).

Таблица 1.1- Нормы обеспечения помещений морских судов порошковыми

огнетушителями [8]

Помещения Расчетные характеристики защищаемой площади Количество огнетушителей, единиц

переносные передвижные

Посты управления до 50 м2 1

Дизель-генераторные на помещение 1

Рулевые рубки на помещение 2

Жилые и служебные (общественные, камбузы и пекарни, лазареты) на каждые 250 м2 или на помещение 1

Кладовые ЛВЖ и ГМ на помещение 1

Производственные, машинные и цистерны с жидким топливом на помещение 2 1

Вспомогательных механизмов 50 м2 и более 1

Насосных станций на каждые 30 м 1

Грузовые для автотранспорта с топливом в баках на каждые 20 м длины 1

Электрогенераторные и с гребными электродвигателями суммарной мощностью 5000 кВт и более на помещение 3 1

Как видно из данных таблицы, эти потребности являются существенными.

Поэтому защита специфических помещений морских судов первичными средствами пожаротушения, включая порошковые огнетушители, достаточно актуальна и может оказать значительное влияние на различные элементы обеспечения их живучести и обитаемости.

Комплектация огнетушителями пожароопасных производственных объектов нефтебаз и морских судов предусмотрена рядом нормативных документов [2, 9-13], извлечения из которых представлены в приложении А (таблицы А1-АЗ). Необходимое количество порошковых огнетушителей зависит от назначения и размеров помещений судна (таблица 1.1). На основе этих данных можно сделать вывод о том, что в ряде случаев нормы потребности в первичных средствах пожаротушения расходятся.

Согласно требованиям [8] в помещениях морских судов (различного назначения и категории по взрывопожарной и пожарной опасности) следует применять порошковые огнетушители переносные вместимостью не менее 5 кг ОПС и передвижные - 45 кг ОПС. Им отвечают огнетушители типоразмеров ОП-5, ОП-8 и ОП-50, выпускаемых различными производителями на основе многочисленных технических условий [14].

1.2 Современные конструкции порошковых огнетушителей

В мире существует большое многообразие типов и марок порошковых огнетушителей [4].

При анализе нормативных документов не выявлено принципиального различия в конструкции и технических параметрах зарубежных и отечественных порошковых огнетушителей. При этом основным браковочным признаком конструкции отечественных порошковых огнетушителей является величина остатка ОПС в корпусе (не более 15% после применения их по назначению [3]).

В отечественных нормативно-правовых документах [3, 15] приведены обязательные параметры огнетушителей (масса заряда ОПС; усилия и энергия воздействия на органы управления и передвижения; продолжительность приведения огнетушителя в действие и подачи ОПС; возможность прерывания и возобновления подачи ОПС; длина струи ОПС; остаток ОПС в корпусе огнетушителя; огнетушащая способность), обеспечивающих пожарную безопасность.

Изменение параметров огнетушителей за период, начиная с конца 60-х годов прошлого столетия и по 2011 год, отражено в [4]. Выявлено, что во многих случаях отечественные и зарубежные производители в паспортах на продукцию не указывают гарантированный остаток заряда огнетушителя (являющийся важнейшим фактором, определяющим эффективность тушения).

Следует отметить, что в работе [4] не нашли отражения тенденции изменения энергии сжатого газа в огнетушителях и продолжительности его истечения по годам существования выпускаемых образцов. Эти сведения представляются на рисунках 1.1-1.3 для порошковых огнетушителей типоразмера ОП-2, полученных на основе официальных данных [14]. Для других образцов они помещены в приложении Б. На всех рисунках цифрами отмечены данные, относящиеся к конкретным образцам огнетушителей из рассмотренной их совокупности (22 образца).

Энергия 4,9 сжатого

газа, цЩж 4,4

3,9 3,4 2,9 2,4 1,9

1.4 0,9 0,4

1932 19541986 19881990 1992 1994 1996 199В 2000 2002 2034 2006 2008 2310

Годы производства

Рисунок 1.1 - Изменение энергии сжатого газа в огнетушителях ОП-2 [16]

Продолжи- 8,5 тель во сть истечения 8,0 ОПС,с

7,0

6.5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0

1932 19841986 19Е8 1993 1992 1994 19961998 2000 2002 20042006 2008 2010

Годы производства

Рисунок 1.2 — Изменение продолжительности истечения ОПС огнетушителей

ОП-2 [16]

? ! ■ ! 1 .

Т 1 1 ! ..... ■ ....._ 1......._......... 1 1 ■

Г

21 ....... е 5 15

20 иГ.Т'1 13 ■

1 | ■ ■ ш 1{8;19 р4 22

] | ■ ■ 2

1 5

1 ■ ! -1-

' 20 1 1р.0

■ ■ ■

п .... „± _ ..

20 5; ■б;7;2 1 1 ■ ■ ■ ■ I 1;1;1: 1 1 !;14;4 15

— ■ 22

5 6 1. !;18,3 9

................1 1 ■ ■

Т

Энергия 5,0 сжатого газа, кДж

4,а 3,5 3,0 2,5 2,а

1,5 1,9

§,5 0,0

0123456789 Продо.тлснтельвость нстечекня О ПС. с

Рисун