автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Методологические и нормативные основы конструирования, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей

На правах рукописи

Хорошилов Олег Анатольевич

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И НОРМАТИВНЫЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ, ИСПЫТАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ

05.26.03 - пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1

4 ИЮЛ 2011

Санкт-Петербург - 2011

4851532

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный консультант доктор технических наук, доктор военных

наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Артамонов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Ложкин Владимир Николаевич;

доктор технических наук, профессор заслуженный деятель науки РФ Чешко Илья Данилович;

доктор технических наук, профессор Еремина Татьяна Юрьевна

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

технологический институт (технический университет)

Защита состоится «3» июня 2011 года в 14.00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.01 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).

Автореферат разослан « »марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.Г. Малыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с положениями статьи 59 Федерального закона Российской Федерации от 22 июля 2008 года №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» одним из направлений противопожарной защиты промышленных объектов является применение устройств, обеспечивающих ограничение распространения пожара за пределы очага. На технологических системах объектов нефтегазового комплекса в качестве таких защитных устройств используются сухие промышленные огнепреградители, которые свободно пропускают потоки паро- или газовоздушных горючих смесей через твердую пламегасящую насадку (пламегасящий элемент), но в то же время должны препятствовать распространению пламени в случае возникновения пожара или взрыва.

Необходимость их применения регламентируется целым рядом зарубежных, общероссийских и ведомственных норм и правил. Однако на объектах нефтегазового комплекса России и за рубежом неоднократно имели место случаи, когда данные защитные устройства не обеспечивали локализацию пламени и последствия пожаров значительно усугублялись (распространение пламени по газоуравнительным и факельным системам на группу технологических аппаратов, по парогазовоздушным линиям адсорбционных и абсорбционных установок, проникновение пламени через дыхательные клапана внутрь резервуаров с последующим взрывом и т.п.).

Указанные выше факты свидетельствуют о недостаточной надежности применяемых в настоящее время промышленных огнепреградителей и необходимости их усовершенствования. Очевидно, что проведенные до настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования в России и за рубежом не позволили решить обозначенную проблему на уровне, соответствующем современному развитию прикладной науки пожарной безопасности.

Наряду с этим следует отметить, что в Российской Федерации длительное время отсутствовал нормативный документ,

регламентирующий требования к конструкциям и методам испытаний промышленных огнепреградителей. В 2009 году впервые разработан и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии ГОСТ Р 53323 - 2009 «Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний».

Следует констатировать, что, несмотря на важность разработки данного нормативного документа, он в своей методологической основе имеет ряд существенных недостатков, которые не позволяют радикально решить в комплексе существующие в настоящее время проблемы, связанные с конструированием, испытанием и эксплуатацией промышленных огнепреградителей.

Прежде всего, обращает на себя внимание то, что приведенные в стандарте технические требования и методы испытаний отражены в едином контексте как к огнепреградителям, так и к искрогасителям. Хотя очевидно, что назначение, принцип действия, область применения и условия эксплуатации данных защитных устройств различны.

Методы испытаний вместе со стендовым оборудованием, предложенные в стандарте, не позволяют в полной мере проводить испытания огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость, поскольку не учтены особенности их размещения на технологическом оборудовании и особенности эксплуатации отдельных видов огнепреградителей. Вопросы, связанные с испытанием коммуникационных огнепреградителей на стойкость к воздействию детонационной волны, а также вопросы, регламентирующие требования к эксплуатации промышленных огнепреградителей, имеющие исключительно важное значение, в действующем стандарте не нашли методологического развития. Аналогичные зарубежные стандарты имеют такие же недостатки (CEN european standard EN 12874-2001, BSI EN 12874-2001, USCG 33CFR).

С учетом этого возникла потребность разработки концептуально нового методологического и нормативного подхода к конструированию и испытанию промышленных огнепреградителей, а также подготовки на основе новой научной концепции предложений по разработке стандарта применительно к огнепреградителям, учитывающего специфику их эксплуатации на технологических системах потенциально опасных промышленных объектов.

На основании изложенного сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы - разработка комплексного методологического подхода, составляющего основу нормирования требований к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей.

Для достижения цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

• разработать модели гашения пламени, являющиеся основой для расчетного обоснования конструкций промышленных огнепреградителей;

• разработать методы повышения эффективности промышленных огнепреградителей, их огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;

• разработать усовершенствованные конструкции промышленных огнепреградителей;

• разработать экспериментальные стенды и методы испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость с учетом особенностей их эксплуатации на технологических системах объектов нефтегазового комплекса;

• провести экспериментальные исследования усовершенствованных конструкций огнепреградителей;

• разработать проект государственного стандарта «Огнепреградители. Общие технические требования. Методы испытаний».

Объектом исследования являлись промышленные

огнепреградители.

Предмет исследования - качественные и количественные показатели, характеризующие защитные свойства промышленных огнепреградителей.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов моделирования и путем проведения натурных экспериментов. При обработке результатов использовались методы математической статистики и системного анализа.

Научная новизна:

• разработаны модели гашения пламени в огнепреградителях в условиях неподвижной горючей смеси и при разогреве пламегасящего элемента в условиях движущейся горючей смеси, учитывающие влияние длины каналов и температуры на эффект гашения пламени;

• с использованием пакета прикладных программ Fluent разработана виртуальная модель гашения пламени в каналах огнепреградителей для оценки влияния текстуры поверхностей пламегасящих элементов на их пламенепроницаемость;

• разработаны новые методы повышения эффективности огнепреградителей, огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;

• на основе проведенных исследований разработаны новые конструкции промышленных огнепреградителей;

• разработан новый метод противопожарной защиты резервуаров и газоуравнительных обвязок.

Практическая значимость:

• разработаны методы испытаний и экспериментальные стенды, которые предлагается использовать для проведения приемо-сдаточных, периодических, сертификационных и типовых испытаний

огнепреградителей в условиях, близких к промышленному использованию данных защитных устройств;

• разработаны усовершенствованные конструкции резервуарных и коммуникационных огнепреградителей, предназначенные для надежной и длительной защиты от распространения пожаров по технологическим системам объектов нефтегазового комплекса;

• разработан проект государственного стандарта, который регламентирует требования к конструированию, испытанию и эксплуатации огнепреградителей с учетом специфики их использования на технологических системах потенциально опасных промышленных объектов нефтегазового комплекса.

Достоверность изложенных в диссертации положений и выводов подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований, использованием современных и апробированных математических методов; высокой сходимостью результатов модельного и натурного экспериментов; согласованностью полученных результатов с известными данными других исследований, достаточной апробацией научных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

• модели гашения пламени в промышленных огнепреградителях, учитывающие влияние длины каналов, текстуры поверхности пламегасящих элементов и температуры на эффект гашения пламени;

• методы испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость, учитывающие особенности их эксплуатации на технологических системах объектов нефтегазового комплекса;

• методы повышения эффективности огнепреградителей, огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;

• разработанные положения, составляющие основу нормирования требований к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на следующих международных и общероссийских научно-практических конференциях и семинарах:

• I международная научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона», Санкт-Петербург, 15 ноября 2000 года.

• II международная научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона», Санкт-Петербург, 18 октября 2001 года.

• XVI научно-практическая конференция по вопросам борьбы с пожарами

« Крупные пожары: предупреждение и тушение», Москва, 30-31 октября 2001 года.

• Международная научно-практическая конференция «Международный

опыт подготовки специалистов пожарно-спасательного профиля», Санкт-Петербург, 20-21 января 2004 года.

• Международная научно-практическая конференция «Чрезвычайные

ситуации: предупреждение и ликвидация», Минск, 7-9 июня 2005 года.

• I международная научно-практическая конференция «Сервис

безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы», Санкт-Петербург, 23-24 апреля 2008 года.

• IV Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы

обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 21-22 апреля 2009 года.

• XIII Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы

«Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», Санкт-Петербург, 18 мая 2009 года.

• V международная научно-практическая конференция «Технические

средства противодействия террористическим и криминальным взрывам», Санкт-Петербург, 20-22 октября 2009 года.

• II международная научно-практическая конференция «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы», Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009 года.

• III Всероссийская конференция «Безопасность критичных инфраструктур

и территорий», Екатеринбург, 9-14 ноября 2009 года.

• XVII международная научно-методическая конференция «Высокие

интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке», Санкт-Петербург, 11-12 февраля 2010 года.

• XIII Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные

проблемы защиты и безопасности», Санкт-Петербург, 5-8 апреля 2010 года.

• IV Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные

проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации», Екатеринбург, 15 апреля 2010 года.

• V Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы

обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 20-21 апреля 2010 года.

• XIV Всероссийская конференция «Фундаментальные исследования и

инновации в национальных исследовательских университетах», Санкт-Петербург, 13-14 мая 2010 года.

• VIII международный форум по промышленной безопасности, Санкт-

Петербург, 24-27 мая 2010 года.

• Межкафедральный научный семинар в Санкт-Петербургском

университете ГПС МЧС России по вопросам конструирования, испытания и сертификации промышленных огнепреградителей, Санкт-Петербург, 28 мая 2010 года.

• Научно-практическая конференция «Совершенствование работы в

области обеспечения безопасности людей на водных объектах», Санкт-Петербург, 7 июля 2010 года.

• The 3 rd international Scientific Conference «Fire engineering», Technical

University in Zvolen, 5th - 6th Oct. 2010.

• II международная научно-практическая конференция «Техносферная и

экологическая безопасность на транспорте», Санкт-Петербург, 16-18

ноября 2010.

• Научный семинар «Актуальные проблемы отраслей науки», Санкт-

Петербург, 19 ноября 2010 года.

• XVIII международная научно-методическая конференция «Высокие

интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке»,

Санкт-Петербург, 17-18 февраля 2011 года.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 62 печатных работы, из них:

• 16 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ;

• 1 монография (удостоена премии Национальной академии наук пожарной безопасности);

• 3 патента Российской Федерации на полезную модель;

• 42 публикации в научных журналах и трудах международных, всероссийских, региональных и ведомственных конференций.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России и используются в производственной деятельности ООО «Технологии безопасности», ООО «Пожинжиниринг», ООО «Пожоборонпром Плюс», ЗАО «Научно-производственное объединение специальных материалов» и на Красносельской нефтебазе ООО «Киришиавтосервис».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. Работа изложена на 300 страницах и содержит 77 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, отражены цель, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен комплексный анализ теоретических, методологических и нормативных подходов к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей.

Показано, что в зависимости от исполнения пламегасящих элементов все применяемые в промышленности огнепреградители можно разделить на две группы — сеточЕ1ые, в которых гашение пламени происходит в ячейках тонкой сетки, и канальные, в которых пламя гасится при прохождении через один или несколько каналов, длина которых определяется высотой пламегасящего элемента. Условия локализации пламени могут существенно различаться в зависимости от места расположения огнепреградителя, условий инициирования горения и отвода продуктов реакции.

Проанализированы теоретические и экспериментальные работы по гашению пламени в различных конструкциях огнепреградителей. В ходе анализа установлено, что в настоящее время в качестве основной теории, описывающей процессы распространения и гашения пламени в огнепреградителях, принята теория Я.Б. Зельдовича, в соответствие с которой на пределе гашения пламени должно достигаться постоянство безразмерного критерия Пекле Ре. При этом основным параметром, определяющим пламегасящую способность ошезадерживающих элементов, является критический диаметр их каналов.

Численное значение критерия Пекле на пределе гашения пламени приблизительно равно 65. С учетом этого критерия размер критического диаметра гашения пламени с1кр, вычисляется по формуле:

Ре а

И - КР

кр - .. >

где ¿/кр - критический диаметр гашения пламени, м; Ре,ф - значение критерия Пекле на пределе гашения пламени {Рекр ~ 65); а -коэффициент температуропроводности исходной смеси, м2-с-1; м„ -нормальная скорость распространения пламени, м-с'1.

Учитывая, что выражение (1) получено, исходя из ряда допущений и упрощений, при разработке конструкций огнепреградителей безопасный диаметр огнегасящего канала с/йе, принимают в два раза меньше расчётного критического диаметра гашения пламени, вычисленного через критерий Пекле. Окончательно огнегасящий диаметр определяют экспериментально.

Данный подход положен в основу существующей системы нормирования требований к конструированию и испытанию огнепреградителей, которые регламентируются ГОСТ Р 12.3.047 - 98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» и ГОСТ Р 53323 - 2009 «Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний».

Следует отметить, что в большинстве теоретических и экспериментальных исследований условий гашения пламени указывается на то, что изменение длины каналов Ь (высоты пламегасящего элемента) значительно не влияет на условия гашения пламени в том случае, если величина Ь много больше диаметра каналов. Однако строгих закономерностей при этом обнаружено не было.

Вместе с тем, при выборе огнепреградителей должна учитываться не только их способность гасить пламя, но и способность оказывать наименьшее сопротивление движущемуся через пламегасящий элемент газовому потоку. В этом отношении наиболее приемлемы огнепреградители с минимальной длиной пламегасящих каналов.

В первой главе проанализированы существующие методы испытаний промышленных огнепреградителей. Показано, что принятый в настоящее время нормативный метод испытания огнепреградителей, регламентированный ГОСТ Р 53323 - 2009, не позволяет в полной мере

проводить испытания данных защитных устройств на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость, поскольку не учтены особенности их размещения на технологическом оборудовании и особенности эксплуатации отдельных видов огнепреградителей. Вопросы, связанные с испытанием коммуникационных огнепреградителей на стойкость к воздействию детонационной волны, а также вопросы, регламентирующие требования к эксплуатации промышленных огнепреградителей, в стандарте вообще не освещены. Аналогичные зарубежные стандарты имеют такие же недостатки.

С учетом этого обозначена необходимость разработки новых методологических и нормативных подходов к конструированию и испытанию промышленных огнепреградителей, а также подготовки отдельного стандарта применительно к огнепреградителям, учитывающего специфику их эксплуатации на технологических системах потенциально опасных промышленных объектов.

Во второй главе разработаны теоретические и методологические основы конструирования, испытания и повышения эффективности промышленных огнепреградителей, предназначенных для локализации пламени в условиях неподвижной горючей смеси.

Разработана модель, учитывающая влияние длины каналов огнепреградителей на эффект гашения пламени. Для обоснования модели использованы основные характеристики волны газофазного горения, которая схематически показана на рисунке 1.

При поджигании горючей парогазовой среды пламенем, нагретой стенкой или электромагнитным излучением волна горения образуется в пристеночной области и распространяется внутрь объема горючей среды.

Слева от волны горения находятся продукты горения (ПГ). Зона горения 8г при горении паров и газов представляет узкую светящуюся полоску. Справа от нее расположена зона прогрева Ьпр. Плоскость, разделяющую зону горения и зону прогрева, будем называть фронтальной плоскостью распространения горения. Максимальную температуру в зоне

горения, соответствующую на схеме точке А, будем называть температурой горения Тг, а температуру фронтальной плоскости, соответствующую точке В - температурой зажигания Т}.

Рисунок 1 — Схема волны горения: кривая ABC - эпюра волны горения; прямая ABC - вспомогательная прямая;

EF-^г/^- половина ширины зоны горения; FC= L^ - ширина зоны прогрева

При отсутствии конвективных потоков и других искажающих факторов волна горения и фронт горения будут перемещаться вправо с постоянной скоростью ин, нормальной к фронтальной плоскости горения.

В связи с существенным различием температур в зоне горения и зоне подогрева тепловыделением в зоне прогрева можно пренебрегать и считать, что окислительные процессы, сопровождающиеся тепловыделением, протекают только в зоне горения.

Для вывода нужных соотношений принято, что в зоне горения реакция окисления протекает с постоянной скоростью W и процесс нагревания от Т3 до Тр также протекает с постоянной скоростью Р+, К с"1.

При распространении горения в канале горючая смесь тепловым потоком от пламени через площадь поперечного сечения канала 5 нагревается от начальной температуры Тн до температуры зажигания Т3. Затем эта смесь нагревается от температуры зажигания Т3 до температуры горения Тг.

Мощность, затрачиваемая на нагревание этой массы от начальной температуры до температуры зажигания, определяется выражением

М = ии-ср-р-{Т3-Тн)-5. (2)

где и„ - нормальная скорость распространения горения, м-с"'; ср -удельная теплоёмкость, Дж-кг"'-К"'; р - плотность, кг-м"3.

Теплоёмкость нагреваемой массы

Сп=К-ср-р. (3)

где Уг - объём этой массы, м3.

Отношение ШС„ характеризует скорость изменения температуры горючей среды Р+ при её нагревании

N _и„ -5,-ср-р-{Т3-Т,1)

С

После сокращения имеем

Уг-с-р

(4)

р =ин-5-(Т3-Тн) = ин-Б-АТ3

(5)

Производная с/Р+/£/Г при температуре зажигания Т3

¿А ¿т

= т =

«н-З

V.

(6)

Эта величина характеризует темп нагревания т„, с'1.

Критическим условиям зажигания (потухания) в канале соответствует равенство темпов нагревания тн и охлаждения тох при температуре зажигания. Используя относительный температурный градиент п, темп охлаждения представляем в виде

т„. =

п-а-F

К-К '

(7)

где п - относительный температурный градиент (п~2); а - коэффициент температуропроводности, м2-с"'; Р - площадь поверхности теплообмена, м2; Ях - расстояние от центра до стенки канала (радиус), м.

Равенство темпов нагревания тн и охлаждения тох можно записать соотношением

м • 5 п • а ■ F

У г К-Уг'

После сокращения объема У,:

с F

Rx•

Из соотношения (9) имеем

и„ S

(В)

(9)

(10)

Полученное соотношение имеет следующий физический смысл. п-а

Отношение -= ь„р равно ширине зоны прогрева, a F/S равно отношению

UH

площади поверхности теплообмена канала F к площади его поперечного сечения S.

Применительно к диаметру цилиндрического канала

=

кр

2-п-а Г

и„ 5

(П)

Полученная формула (11) является искомой. Она дает аналитическую зависимость критического диаметра гашения пламени ^

огнепреграждающих устройств от величины Р/Б, которая является функцией длины канала.

Для наглядности в диссертации рассмотрены три частных случая: 1-й случай: огнезадерживающее устройство выполнено в виде длинного цилиндрического канала.

В теплотехнических расчётах неограниченно длинным считается канал, длина которого не менее чем в четыре раза превышает его диаметр. В таком канале теплообменом через его торцы можно пренебрегать. У длинного цилиндрического канала боковая поверхность Ра=ж1-4с1=4ли2, площадь сечения канала Отношение FA=^6, следовательно, для

длинного цилиндрического канала

_ 2-п-а ,, Ъ2-п-а

* кр ~

=--16 = "- (12)

"н И«

Напомним, что в настоящее время для расчёта критического диаметра гашения пламени йкр используется формула Я.Б. Зельдовича (1). Из (1) и (11) имеем

Ре„=г-п~=ъг-п, (13)

При п=2

Ре1р = 64, (14)

что находится в полном согласии с теорией Я.Б. Зельдовича и экспериментальными данными.

2-й случай: огнезадерживающее устройство имеет конечные размеры. Если принять длину канала Ь равной его диаметру с!, то поверхность

теплообмена Р будет состоять из боковой поверхности = ж/ -с! = ж/2 и одной площади сечения канала Рс = ж-с?!4. Полная поверхность теплообмена

Подставляя значения Т7 и 5 в (11), после преобразования получим

1 Опа 20а

^ =-=-. (16)

«Р и.. м„ '

Из сравнения (16) с (12) видно, что с уменьшением длины канала эффект гашения ухудшается. Поэтому для обеспечения гашения пламени с уменьшением длины канала его огнегасящий диаметр должен также уменьшаться. В этом случае формула Я.Б. Зельдовича для расчёта <1кр через

критерий Пекле (1) не пригодна, так как безразмерный параметр 2и — = 20; а не 64.

3-й случай: огнезадерживающее устройство выполнено в виде тонкой сетки. В этом случае и следовательно

„ п-а

^=2- — . (17)

Мн'

тч т п-а

Выше показано, что отношение Ь„„=- равно ширине зоны

ин

подогрева. Поэтому, эквивалентный размер ячейки сетки с!кр равен двум зонам подогрева

<р=24р. (18)

Из сравнения (17) с (12) видно, что для гашения пламени одной и той же горючей смеси, размер гасящей ячейки у тонкой сетки должен быть в 16 раз меньше, чем у неограниченно длинного канала (Ь>4сГ). В настоящее время при расчете сетчатых и канальных огнепреградителей это не учитывается.

Таким образом показано, что формула Я.Б. Зельдовича (1) пригодна только для расчёта критического диаметра огнегасящего канала, длина

которого равна не менее четырём диаметрам. Опираясь на работы Я.Б. Зельдовича, многие авторы считают, что эффект гашения пламени в узких каналах не зависит от длины канала. Эти представления вошли в нормативные документы и в учебную литературу. Представленная в диссертации модель гашения пламени показывает, что такие представления являются ошибочными.

Следует отметить, что Я.Б. Зельдович рассматривал гашение пламени в длинном канале. Влияние его размеров на эффект гашения он не анализировал. Поэтому ссылаться на Зельдовича, что диаметр огнегасящего канала не зависит от его длины, не обоснованно.

Теоретически важной представляется полученная кратность линейного размера огнегасящего канала (Ях, с!кр) ширине зоны прогрева Ь„р

где

К-кЛр5 (19)

К-5 и I

" пр

и

и

Это соотношение отражает физическую сущность гашения пламени на сетке и в канале.

На практике формула (11) может быть использована для предварительного определения критических конструктивных параметров гашения пламени (размера ячейки пламегасящей сетки, длины и диаметра пламегасящих каналов) в зависимости от типа используемых пламегасящих элементов (сетчатые или канальные).

Для экспериментальной проверки полученных в диссертации зависимостей, разработан метод испытания огнепреградителей на пламегасящую способность. Принципиальная схема экспериментального стенда приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Принципиальная схема экспериментального стенда для

испытания огнепреградителей на пламегасящую способность:

1- ёмкость с уровнемером для рабочей жидкости; 2 - баллон с инертным газом; 3, 7, 22, 28 - редуктор; 4, 8, 10, 13, 20, 23, 29, 33, 37, 42 - кран перекрывной; 5, 26 -компрессор; 6, 27 - ресивер; 9 - трубопровод с ЛВЖ; 11, 24, 30, 34, 38 -расходомер; 12, 35 - термостат жидкостной с задатчиком температуры; 14, 19, 25, 31 - обратный клапан; 15 - форсунка; 16 - смесительная труба (камера); 17 -воздуходувка; 18 - калорифер с задатчиком температуры; 21 - баллон с газом; 32

- газовый пульт; 36 - трубопровод с газовой смесью; 39, 55, 56 - датчик температуры паро-, газовоздушной смеси; 40, 53, 54 - датчик газоанализатора; 41

- защитный огнепреградитель; 43 - штуцер; 44 - контрольная камера; 45 -камера сгорания; 46 - опоры; 47 - испытуемый огнепреградитель; 48, 49 -штуцер; 50, 51 - осевой вентилятор; 52 - свеча зажигания; 57 - датчик температуры в испытуемом огнепреградителе; 58, 59 - патрубок с откидной заслонкой на шарнирной петле; 60, 61 - датчик давления

Стенд предусматривает возможность проведения испытаний с паровоздушными и газовоздушными горючими смесями стехиометрического состава. Испытания огнепреградителей на пламегасящую способность проводятся в следующей последовательности.

Перед проведением экспериментов проверяется правильность положения всех кранов (закрыты или открыты), работоспособность компрессоров, термостатов, воздуходувки, калорифера, исправность системы зажигания, вентиляторов и измерительных приборов. После этого в пространстве между патрубками камер 44 и 45 устанавливается испытуемый огнепреградитель 47. Для размещения между камерами огнепреградителей различного типоразмера, каждая камера снабжается сменными блоками. В торцевой части огнепреградителя в центре и по краям со стороны контрольной камеры располагаются датчики контроля температуры 57. В зависимости от особенностей последующего размещения огнепреградителя на технологических системах промышленных объектов, экспериментальная установка располагается в вертикальном или горизонтальном положении. Посредством воздуходувки 17 проводится продувка камер 44 и 45. После этого откидные заслонки на патрубках 58 и 59 прижимаются фиксаторами.

Далее, в зависимости от того, какие смеси будут использоваться для проведения испытаний (газо- или паровоздушные), соответственно включаются и выводятся на заданный температурный режим термостаты 12, 35, калорифер 18 и осуществляется подготовка горючих смесей.

После того, как в обеих камерах 44 и 45 создана паро- или газовоздушная смесь стехиометрического состава, в зависимости от требуемых условий проведения эксперимента заслонки на патрубках 58 и 59 могут освобождаться от фиксаторов или быть закрытыми.

При проведении испытаний всегда одна камера будет являться взрывной (камера первичного воспламенения или камера сгорания), а другая — контрольной (камера вторичного воспламенения). На рисунке 2 условно камера 45 обозначена как камера сгорания, а камера 44 -контрольная камера. При этом пламя при проведении испытаний по такой схеме будет распространяться сверху вниз, что характерно для резервуарных огнепреградителей, устанавливаемых на дыхательной арматуре для предотвращения распространения горения извне внутрь емкостных аппаратов.

Для воспламенения горючей смеси в камере 45 на одну из свечей зажигания 52 подается напряжение. После воспламенения смеси в камере сгорания 45 о проскоке пламени в контрольную камеру 44 судят по повышению давления, которое фиксируется датчиком 61, и по открытию заслонки на патрубке 58 (если по условиям проведения эксперимента она освобождается от фиксатора и предусматривается сброс продуктов горения из камеры). Повышение температуры пламегасящего элемента фиксируется датчиками 57. Используемые при проведении экспериментов приборы контроля температуры и давления обеспечивают вывод информации на компьютер с возможностью сохранения всех данных. Приборы имеют класс точности 0,5.

При отсутствии проскока пламени в контрольную камеру проводится проверка воспламеняемости в ней смеси подачей напряжения на одну из свечей зажигания, и уже по факту взрыва делается вывод о задержании пламени испытываемым огнепреградителем.

Расчетные и экспериментальные значения критических параметров гашения пламени (<1кр и £кр) для канальных и сетчатых пламегасящих элементов приведены в таблице 1. Расчетные значения были определены по формуле (11). При проведении экспериментальных исследований в качестве канальных пламегасящих элементов использовались стальные перфорированные цилиндры с отверстиями разного диаметра и высоты. Расстояние между стенками каналов составляло 1 мм. В качестве сетчатых пламегасящих элементов использовались тканные сетки из нержавеющей стали с диаметром проволоки 0,1 мм и различной степенью ячеистости.

Приведенные в таблице 1 данные показывают хорошую сходимость расчетных и экспериментальных значений критического диаметра гашения пламени с1кр для сетчатых и канальных огнепреградителей, что свидетельствует об адекватности разработанной модели гашения пламени.

Во второй главе диссертации разработан метод повышения эффективности канальных огнепреградителей путем нанесения текстуры на поверхность пламегасящего элемента. Для проверки гипотезы с

использованием пакета прикладных программ Fluent создана виртуальная модель гашения пламени в каналах огнепреградителей.

Таблица 1 — Расчетные и экспериментальные значения критических параметров гашения пламени {с1кр и Ькр) для канальных и сетчатых пламегасящих элементов

Наименование горючей смеси Значения критических параметров гашения пламени для канальных пламегасящих элементов Значения dKp для сетчатых пламегасящих элементов

расчетные значения экспериментальные значения расчетные значения экспериментальные значения

^•10э,м Ькр103,м <V103,M V103,M

Пропано-воздушная смесь при 1к„= Мр 2,9 | 11,6 2,6±0,3 10,7±1,4 0,18 0,23±0,06

при 1кр= с1кР 0,9 0,9 0,9±0,1 0,8±0,1

Гексано-воздушная смесь при !,«.„= 44ф 2,8 1 11,2 2,5±0,3 10,0±1,3 0,175 0,23±0,06

при 1акр= ¿кр 0,87 0,87 0,9±0,1 0,8±0,1

Смесь паров бензина АИ-95 с воздухом при = 44,,, 3,1 1 12,4 2,9±0,4 11,8±1,5 0,20 0,25±0,06

при 1кр= (¡кр 0,96 0,96 1,0±0,1 0,9±0,1

Математические эксперименты производились с использованием системы дифференциальных уравнений. Каждое уравнение описывает конкретный параметр рассчитываемой системы.

Состояние газа в любой точке рассматриваемой области определяется следующими параметрами: давлением р, температурой Т, вектором скорости с или его компонентами й, V, IV.

Кроме того, для описания свойств вязкого сжимаемого газа необходимо знать плотность р и вязкость ¡л, которые могут быть вычислены с помощью указанных выше параметров. Таким образом, состояние любой точки потока вязкой теплопроводной жидкости или газа задается

несколькими переменными. Соответственно, для их определения необходима система следующих уравнений:

1. Уравнение движения в форме Навье-Стокса:

ди ди ди ди

р--у р - и--1- р - V--ь р • \у-= р ■ X

д( дх ду дг

др _ 8 ( ди + 2— /и — дх дх \ дх

ЗУ

( ди

.4*

ду дх

дг

(ди

ч

ди ^ ¿Ы-Л дг дх)

3 дх

( ди

ду ду

дю

аГ

ду ду ду ду др д

р--р ■ и--(- р ■ у--н р • и>— = р ■ У--— н--

<3/ дх ду дг ду дх

ду

Гаи _

\ду дх

„ „ . снЛ д

+ 2- /л- +-

ду^ ду) дх

С ду дн>

ву

2д_ 3 ду

С ди ду д\у

р--1---1--

^ дх ду дг

д\у дху д\у д\у

р--н р • и--1- р ■ V--1- р ■ \У-=

д! дх ду дг

^ др д

: р ■ г--~ Н--х

дг дх

/ди

\дг

СН^Л д --+ —

дх ду

(ди ду &н>

р\--1---1--

^ дх ду дг

( ду д\V

М[дг + ~ду

^ д ( 5иЛ 2 д

+ 2- р- +---:

дг \ дг) 3 &

(20)

2. Уравнение энергии:

р-с,

дТ дТ дТ дТ

— + и--1- V— + и>-

<?/ дх ду дг

дд др др др — + и — + V— + ы—

д1 дх ду дг

дх V дх) ду ^ ду

дг{ дг

+ м- Ф,

(21)

где Ф - диссипативная функция:

Их) +\ду) Ч&"

( ду ^ ди ^йс ду

[ди 5и> + — + —

\дг дх

2(ди ду 5пЛ З^йх ду дг)

3. Уравнение неразрывности:

дри д{ри) 3(ру) д(рш)

д(

дх

ду

дг

= 0-

ды ду ]

(22)

(23)

4. Для описания зависимости плотности от температуры и давления достаточно известного уравнения состояния идеального газа:

5. Вязкость задается в виде зависимости от температуры. Для этого используется зависимость Сатерленда:

Таким образом, расчетное определение параметров потока в любой точке расчетной области сводилось к решению сопряженной нелинейной системы дифференциальных уравнений. Имитация процессов пламегашения в узких каналах проводилась на электронных трехмерных моделях каналов огнепреградителей с текстурой поверхности и без текстуры.

Основные результаты компьютерного моделирования представлены в таблице 2.

Для оценки эффективности нанесения текстуры на поверхность пламегасящего элемента огнепреградителя введен коэффициент сравнительной эффективности, определяемый по формуле:

где £б.т. - длина канала без нанесенной текстуры, необходимая для гашения пламени, м; Ьт - длина канала с нанесенной текстурой, необходимая для гашения пламени, м.

Показано, что при нанесении на поверхность пламегасящих каналов отверстий диаметром 0,5 мм с межосевым расстоянием 1 мм коэффициент сравнительной эффективности изменяется в пределах от 1,34 до 1,40.

Для проверки адекватности результатов компьютерного моделирования были проведены экспериментальные исследования пламегасящей способности кассетных огнепреградителей с

(25)

текстурированной поверхностью и без текстуры. Результаты экспериментов представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования влияния текстуры поверхности на эффективность гашения пламени в канальных огнепреградителях

Наименование горючей смеси Результаты компьютерного моделирования Результаты экспериментального исследования

<4„'Ю3,м 16,;103,м 1т-103,м ь ср.эф. 4,7/10\м 16,.-103,м ¿т103,м

Пропано-воздушная смесь 2,5±0,2 10,9±0,6 7,9±0,5 1,38 2,6±0,3 10,7±1,4 8,1±1,1 1,32

Гексано-воздушная смесь 2,4±0,1 10,7±0,6 8,0±0,5 1,34 2,5±0,3 10,0±1,3 7,7±1,0 1,3

Смесь паров бензина АИ-95 с воздухом 2,8±0,2 12,1 ±0,7 8,6±0,5 1,4 2,9±0,4 11,8±1,5 8,5±1,1 1,39

Таким образом в работе показано, что за счет нанесения текстуры на поверхность пламегасящих элементов, происходит турбулизация газового потока, пограничный слой у поверхности пламегасящих каналов разрушается, и создаются условия для более интенсивного теплообмена. При этом пламегасящему элементу отдается большее количество теплоты, газовая смесь быстро охлаждается и исключается возможность проскока пламени в защищаемый объем.

На основе данного метода разработаны усовершенствованные конструкции огнепреградителей.

В третьей главе разработаны теоретические и методологические основы конструирования, испытания и повышения огнестойкости промышленных огнепреградителей, предназначенных для локализации пламени в условиях движущейся горючей смеси.

Показано, что если после воспламенения в зону горения через огнепреградитель постоянно поступает горючая смесь, то пламя может стабилизироваться в непосредственной близости от пламегасящего

элемента. Вследствие этого пламегасящий элемент будет разогреваться и может существенно изменить свои гасящие свойства.

Принимая это во внимание, в диссертации разработана модель, учитывающая влияние температуры на эффект гашения пламени.

При разработке модели критические условия гашения пламени определялись через равенство скоростей тепловыделения 2' и теплоотвода

Задача решалась для двух конкретных случаев: для канала с Ь>4с!кр и для тонкой сетки Ь—Ю.

В ходе решения этих задач применительно к канальным огнепреградителям получено следующее выражение для определения критического диаметра гашения пламени йкр.

где п - относительный температурный градиент (п =2); Я - коэффициент теплопроводности, Вт-м"'-К"'; Т3 - температура зажигания, К; Тн - начальная температура горючей смеси, К; и„ - нормальная скорость распространения

32-п-Л-(Т3-Тн)

(27)

горения, м-с"1; - низшая теплота сгорания, Дж-м"3; ср - удельная теплоёмкость, Дж-кг '-К"1; р- плотность, кг-м"3; Тг- температура горения, К.

Для сетчатых огнепреградителей получено выражение:

-_" " " " з__

ин-Ьн~ср-р\тг-Т})]'

2-п-Х-{Т3-Ти)

(28)

В обобщённом виде для любой длины огнегасящего канала

2-п-Л-{Т3-Тн) ^

(29)

где ^ - площадь поверхности теплообмена, м2; 5 - площадь поперечного сечения пламегасящего канала, м2.

Как видно, наряду с тем, что формула (29) выражает зависимость критического диаметра от величины F/S, которая является функцией длины канала, она позволяет наглядно объяснить явление проскока пламени через огнепреградитель. Гашение пламени возможно только в том случае, если начальная температура смеси и пламегасящего элемента ниже температуры зажигания. По мере приближения Тн к Т3 эффект гашения пламени ухудшается и при ТН=Т3 становится равным нулю. В этом случае сам огнепреградитель может стать инициатором горения в защищаемом объеме.

Для того, чтобы определить период времени, в течение которого огнепреградитель способен сохранять свои защитные функции при стабилизации пламени на поверхности пламегасящего элемента в условиях движущейся через него взрывоопасной смеси, требуется проведение испытаний на огнестойкость.

В диссертации разработан метод испытания огнепреградителей на огнестойкость. Принципиальная схема экспериментального стенда приведена на рисунке 3. Блоки подготовки паро- и газовоздушных смесей аналогичны стенду для испытания огнепреградителей на пламегасящую способность (рисунок 2).

Метод проведения испытаний огнепреградителей на огнестойкость отличается тем, что паро- или газовоздушная горючая смесь постоянно подается через огнепреградитель 46. На выходе из огнепреградителя смесь поджигается от спирали зажигания 47 и продолжает гореть. Расход горючей смеси регулируют таким образом, чтобы пламя стабилизировалось на поверхности пламегасящего элемента. При этом создаются наиболее неблагоприятные условия для локализации пламени, и пламегасящий элемент начинает прогреваться. Для контроля за изменением температуры в теле пламегасящего элемента используются датчики температуры 50.

Рисунок 3 — Принципиальная схема экспериментального стенда для

испытания огнепреградителей на огнестойкость:

1- ёмкость с уровнемером для рабочей жидкости; 2 - баллон с инертным газом; 3, 7, 22, 28 - редуктор; 4, 8, 10, 13, 20, 23, 29, 33, 37, 42 - кран перекрывной; 5, 26 -компрессор; 6, 27 - ресивер; 9 - трубопровод с ЛВЖ; 11, 24, 30, 34, 38 -расходомер; 12, 35 - термостат жидкостной с задатчиком температуры; 14, 19, 25, 31 - обратный клапан; 15 - форсунка; 16 - смесительная труба (камера); 17 -воздуходувка; 18 - калорифер с задатчиком температуры; 21 - баллон с газом; 32 — газовый пульт; 36 - трубопровод с газовой смесью; 39, 49 - датчик температуры паро-, газовоздушной смеси; 40, 48 - датчик газоанализатора; 41 -защитный огнепреградитель; 43 - штуцер; 44 - контрольная камера; 45 - опора; 46- испытуемый огнепреградитель; 47 - спираль зажигания; 50 — датчик температуры в испытуемом огнепреградителе; 51 - датчик давления; 52-взрывной пружинный предохранительный клапан

В процессе испытаний визуально и по показаниям датчиков температуры определяется положение пламени относительно пламегасящего элемента. О проскоке пламени в контрольную камеру 44 судят по повышению давления, которое фиксируется датчиком 51, по срабатыванию взрывного пружинного предохранительного клапана 52, а также по достижению на нижней торцевой части пламегасящего элемента

температуры, при которой возможно зажигание испытуемой горючей смеси в контрольной камере.

Для каждого типоразмера огнепреградителей должно проводиться не менее трех испытаний на огнестойкость. После каждого испытания пламегасящие элементы должны осматриваться на предмет наличия деформационных изменений, образования прогаров, трещин сквозных отверстий. По результатам испытания трех образцов огнепреградителей одного типоразмера за показатель огнестойкости принимается минимальный промежуток времени, в течение которого не отмечено проникновение пламени в защищаемый объем. При этом продолжительность каждого испытания не должна превышать 130 мин.

Представленная на рисунке 3 экспериментальная установка предназначена для испытания на огнестойкость как резервуарных, так и коммуникационных огнепреградителей. При этом, за счет наличия квадратных опор 45, установка может располагаться не только в вертикальном, но и в горизонтальном положении. В таком положении на ней могут испытываться на огнестойкость огнепреградители, которые предназначены для локализации пламени на горизонтальных технологических коммуникациях.

Используя описанный метод, в диссертационной работе проведены испытания на огнестойкость сетчатых, кассетных и насадочных огнепреградителей, применяемых в настоящее время. Эксперименты показали, что огнестойкость испытанных огнепреградителей составляет от 3-х до 30 минут, что не удовлетворяет требованиям безопасности. В связи с этим обозначена необходимость разработки усовершенствованных конструкций огнепреградителей, обладающих способностью длительной локализации пламени на технологических системах объектов нефтегазового комплекса.

В диссертации проанализированы существующие способы повышения огнестойкости огнепреградителей, применяемые в Российской Федерации и

за рубежом. Показано, что они в полной мере не позволяют решить проблему обеспечения длительной локализации пламени.

Предложен новый, наиболее перспективный метод повышения огнестойкости огнепреградителей, основанный на введении в их конструкцию теплообменных устройств, использование которых позволяет интенсифицировать теплоотвод от пламегасящего элемента и корпуса огнепреградителя.

В третьей главе приводится описание разработанных конструкций огнепреградителей с теплообменными блоками и представлены результаты их испытания на огнестойкость.

Одна из конструкций кассетного огнепреградителя с теплообменным блоком показана на рисунке 4. На рисунке 5 представлены графики, отражающие изменение температуры в нижней торцевой части кассетных пламегасящих элементов высотой 60 мм и диаметром 760 мм, 524 мм, 351 мм и 279 мм при проведении их испытаний на огнестойкость. Представленные результаты свидетельствуют о том, что введение в конструкцию огнепреградителей теплообменных блоков позволяет обеспечить необходимый теплоотвод от пламегасящего элемента и корпуса

Рисунок 4 — Огнепреградитель с теплообменным блоком

огнепреградителя, исключить их нагрев до критических температур, при которых возможно проникновение пламени в защищаемый объем, и тем самым обеспечить локализацию пламени в течение длительного периода времени.

500

т, К

г'

60

80

100

120

140 т, млн

Рисунок 5 — Графики изменения температуры в нижней торцевой части кассетных пламегасящих элементов при проведении испытаний на огнестойкость огнепреградителей с теплообменным блоком: 1,1'- графики изменения температуры пламегасящего элемента диаметром 760 мм соответственно на расстоянии 50 мм от центрального стержня и на расстоянии 50 мм от края кассеты; 2, 2' - графики изменения температуры пламегасящего элемента диаметром 524 мм соответственно на расстоянии 50 мм от центрального стержня и на расстоянии 50 мм от края кассеты; 3, 3' - графики изменения температуры пламегасящего элемента диаметром 351 мм соответственно на расстоянии 50 мм от центрального стержня и на расстоянии 50

мм от края кассеты; 4, 4' - графики изменения температуры пламегасящего элемента диаметром 279 мм соответственно на расстоянии 50 мм от центрального стержня и на расстоянии 50 мм от края кассеты

В диссертации разработан новый метод противопожарной защиты резервуаров и газоуравнительных обвязок, который предусматривает подключение огнепреградителей с теплообменными блоками к централизованной системе охлаждения технологического оборудования при пожаре. Типовые схемы реализации данного метода представлены на рисунках б и 7.

I I

Рисунок 6 — Схема системы охлаждения резервуаров и дыхательной арматуры с | огнепреградителями при пожаре

Рисунок 7 — Схема системы охлаждения резервуаров и газоуравнительных обвязок с огнепреградителями при пожаре

В четвертой главе разработаны методологические основы конструирования и испытания детонационностойких промышленных огнепреградителей.

Показано, что при установке огнепреградителей на технологических коммуникациях длительной протяженности существует опасность воздействия на них детонационной волны, которая действует как направленный удар и при недостаточной прочности огнепреградителя способна его разрушить. С учетом этого коммуникационные огнепреградители должны иметь определенный запас надежности и рассчитываться с учетом ударного воздействия детонации.

Наряду с этим в диссертации предложен метод повышения детонационной стойкости огнепреградителей, заключающийся в использовании в коммуникациях специальных устройств, обеспечивающих снижение давления детонации и приводящих к ее переходу в дефлаграционный режим горения. В качестве таких устройств предложено использовать «спираль-антидетонатор», а также огнепреградители с вращающимися в разные стороны относительно общей оси пламегасящими кассетами, имеющими разный угол наклона гофр.

В диссертации разработан метод испытания огнепреградителей на детонационную стойкость. Принципиальная схема экспериментального стенда приведена на рисунке 8. Блоки подготовки паро- и газовоздушных смесей аналогичны стенду для испытания огнепреградителей на пламегасящую способность (рисунок 2).

Блоки подготовки паровоздушных и газовоздушных горючих смесей располагаются в здании лаборатории. Труба 44 с горючей смесью и испытуемым огнепреградителем располагается за пределами здания лаборатории на открытой площадке.

Испытания огнепреградителей на детонационную стойкость проводятся в следующей последовательности. После того, как в трубе 44 создана паро- или газовоздушная смесь стехиометрического состава, кран 42 закрывается и подается напряжение на свечу зажигания 43. Горючая

смесь воспламеняется, и фронт пламени по смеси распространяется в сторону испытуемого огнепреградителя 45. Повышение давления перед фронтом пламени фиксируется датчиками 48. О проскоке пламени через огнепреградитель судят по повышению давления, которое фиксируется датчиком 48, расположенным за огнепреградителем, и по срабатыванию мембраны 46. Используемые при проведении экспериментов приборы контроля давления обеспечивают вывод информации на компьютер с возможностью сохранения всех данных. Приборы имеют класс точности 0,5.

Рисунок 8 — Принципиальная схема экспериментального стенда для испытания огнепреградителей на детонационную стойкость: 1 - ёмкость с уровнемером для рабочей жидкости; 2 - баллон с инертным газом; 3, 7, 22, 28 - редуктор; 4, 8, 10, 13, 20, 23, 29, 33, 37, 42 - кран перекрывной; 5, 26

- компрессор; б, 27 - ресивер; 9 ~ трубопровод с ЛВЖ; 11, 24, 30, 34, 38 -расходомер; 12, 35 - термостат жидкостной с задатчиком температуры; 14, 19, 25, 31 — обратный клапан; 15 - форсунка; 16 - смесительная труба (камера); 17 -воздуходувка; 18 - калорифер с задатчиком температуры; 21 - баллон с газом; 32

- газовый пульт; 36 - трубопровод с газовой смесью; 39, 50 - датчик температуры паро-, газовоздушной смеси; 40, 47, 49- датчик газоанализатора; 41

- защитный огнепреградитель; 43 - свеча зажигания; 44 - теплоизолированная труба с паро- или газовоздушной горючей смесью; 45 - испытуемый огнепреградитель; 46 - разрывная мембрана; 48 - датчик давления; 51 - наружная стена здания; 52 - блок опоры.

Огнепреградитель считается прошедшим испытание на детонационную стойкость, если в трех последовательных испытаниях через него не зафиксировано проскока пламени.

В ходе проведенных испытаний с использованием горючих смесей бензина АИ-95 и пропана установлено, что разработанные конструкции огнепреградителей со «спиралью-антидетонатором» и вращающимися пламегасящими кассетами обеспечивают снижение давления детонации и приводят к ее переходу в дефлаграционный режим горения. Тем самым предотвращается опасность повреждения огнепреградителей вследствие воздействия детонационной волны.

В пятой главе разработаны нормативные основы конструирования, испытания и эксплуатации промышленных огнепреградителей. С учетом выполненных исследований обоснованы положения, составляющие основу проекта государственного стандарта «Огнепреградители. Общие технические требования. Методы испытаний».

В заключении обобщены основные результаты и положения диссертационного исследования, перечислены полученные научные и практические результаты, рассмотрена их значимость для теории и практики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны научно обоснованные положения, технические и технологические решения, составляющие в комплексе методологическую основу конструирования, испытания и эксплуатации промышленных огнепреградителей.

2. Разработаны модели гашения пламени, являющиеся основой для расчетного обоснования конструкций промышленных огнепреградителей.

3. Разработаны методы повышения эффективности промышленных огнепреградителей, их огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны.

4. Разработаны усовершенствованные конструкции промышленных огнепреградителей и новый метод противопожарной защиты резервуаров и газоуравнительных обвязок.

5. Разработаны экспериментальные стенды и методы испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость с учетом особенностей их эксплуатации на технологических системах объектов нефтегазового комплекса.

6. Проведены экспериментальные исследования усовершенствованных конструкций промышленных огнепреградителей, в ходе которых подтверждена гипотеза диссертационного исследования.

7. Разработан проект государственного стандарта «Огнепреградители. Общие технические требования. Методы испытаний».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Хорошилов O.A., Котов И.Ю., Потеряев Ю.К. Принципы конструирования резервуарных огнепреградителей, используемых для ограничения распространения пожаров на объектах нефтегазового комплекса // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2010. - №4[16]. - 1,25/0,6 п.л. - ISSN 1998-8990.

2. Хорошилов O.A., Котов И.Ю., Марухин П.Н. Методологические и нормативные основы испытания промышленных огнепреградителей на пламенепроницаемость и огнестойкость // Проблемы управления рисками в техносфере.-2011.-№1 [17].- 1,0/0,4 п.л.-ISSN 1998-8990.

3. Киселев Я.С., Хорошилов O.A. Модели гашения пламени в сухих промышленных огнепреградителях // Безопасность в техносфере. - 2011. -№ 1,- 1,1/0,5 п.л. - ISSN 684-6435.

4. Принципы конструирования коммуникационных огнепреградителей, используемых для снижения риска крупных пожаров на объектах нефтегазового комплекса / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, Ю.К. Потеряев, В.В. Мамонтов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2011. - № 2. - 0,65/0,3 п.л. - ISSN 0132-3547.

5. Методологические и нормативные основы испытания промышленных огнепреградителей на детонационную стойкость / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, Ю.К. Потеряев, М.Р. Сытдыков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2011. - № 2. - 0,5/0,2 п.л. -ISSN 0132-3547.

6. Власов Д.А., Бушнев Г.В., Хорошилов O.A. Ударные и тепловые волны при детонации промышленных топливовоздушных смесей // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2009. - №1-2[9-10]. - 0,8/0,2 п.л. - ISSN 1998-8990.

7. Киселев Я.С., Хорошилов O.A., Потеряев Ю.К. О двух способах предотвращения горения в узких каналах // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 4. - 0,5/0,2 п.л. - ISSN 0132-3547.

8. Киселев Я.С., Хорошилов O.A. К вопросу о расчете диаметра и длины огнегасящего канала в резервуарных и коммуникационных сухих огнепреградителях // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. -№ 5. - 0,7/0,3 п.л. - ISSN 0132-3547.

9. Хорошилов O.A., Марухин П.Н., Крутолапов A.C. Экспериментальное исследование резервуарных огнепреградителей с пламегасящими насадками из гранулированных пористых материалов, депонированных ингибиторами горения // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2010. - № 3. - 0,6/0,3 п.л. - ISSN 0132-3547.

10.Экспериментальное исследование огнестойкости модифицированных пламегасящих насадок сухих огнепреградителей / O.A. Хорошилов, П.Н. Марухин, A.C. Чернодедов, A.B. Герасин // Безопасность жизнедеятельности. - 2010. - № 4. - 0,6/0,2 п.л. - ISSN 684-6435.

11. Крутолапов A.C., Хорошилов O.A. Использование металлических сеток в качестве огнезащитных экранов // Защита

окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 8. - 0,6/0,3 п.л. -ISSN 0132-3547.

12.Киселев Я.С., Хорошилов O.A., Киселев В.Я. Стандартный и научный подходы к вынужденному зажиганию // Пожаровзрывобезопасность. - 2004. - №5. - 0,75/0,25 п.л. - ISSN 0869-7493.

13. Киселев Я.С., Хорошилов O.A. Стандартный и научный подходы к определению условий возникновения горения // Пожаровзрывобезопасность. - 2004. - №6. - 0,9/0,3 п.л. - ISSN 0869-7493.

14. Киселев Я.С., Хорошилов O.A. Определение критических параметров гашения пламени в сухих огнепреградителях // Безопасность жизнедеятельности. - 2011. - №3. - 1,4/0,8 п.л. - ISSN 684-6435.

15. Хорошилов O.A., Потеряев Ю.К. Повышение эффективности кассетных огнепреградителей нанесением текстуры на поверхность пламегасящего элемента // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России. - 2006. - № 2 . - 0,8/0,4 п.л. - ISSN 1812-6065.

16. Хорошилов O.A. Использование огнепреградителей с теплообменным блоком для длительной локализации пожаров на технологических системах объектов нефтегазового комплекса // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России. - 2006. - № 3. - 0,9 п.л. - ISSN 1812-6065.

Монографии:

17. Киселев Я.С., Хорошилов O.A., Демехин Ф.В. Физические модели горения в системе пожарной безопасности: Монография / Под общей редакцией B.C. Артамонова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - 21/8 п.л. - ISBN 978-5-7422-2150-0 (присуждена премия Национальной академии наук пожарной безопасности).

Патенты, авторские свидетельства:

18. Малинин В.Р., Хорошилов O.A. Стенд для испытания сухих огнепреградителей. Свидетельство Роспатента на полезную модель № 18636. Заявл. 26.01.2001. Опубл. 10.07.2001, Бюл. № 19.

19. Огнепреградитель. Патент РФ на полезную модель №102514 от

18.11.2010 г. У O.A. Хорошилов, Ю.К. Потеряев, И.Ю. Котов и др.

20. Огнепреградитель для быстрогорящих газовоздушных и паровоздушных смесей. Патент РФ на полезную модель №103074 от

20.01.2011 г. У O.A. Хорошилов, Ю.К. Потеряев, И.Ю. Котов и др.

Публикации в международных, всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

21. Хорошилов O.A. Способы повышения надежности и эффективности сухих огнепреградителей // Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона: Труды I международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 15 ноября. - Санкт-Петербург, 2000. - 0,2 пл.

22. Малинин В.Р., Хорошилов O.A. Стенд для исследования и испытания сухих огнепреградителей /У Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона: Труды I международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 15 ноября. - Санкт-Петербург, 2000. - 0,2/0,1 п.л.

23. Хорошилов O.A., Пименова М.А, Лахин О.В. Тенденции совершенствования огнепреграждающих устройств для защиты технологического оборудования и коммуникаций от распространения пожара УУ Экология, энергетика, экономика: Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск IV. Пожарная и промышленная безопасность. -СПб.: Изд-во С,- Петерб. Ун-та, 2001. - 0,25/0,1 п.л.

24. Хорошилов O.A., Малинин В.Р. Определение критического диаметра и длины пламегасящих каналов для гексановоздушных смесей У/ Экология, энергетика, экономика: Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск IV. Пожарная и промышленная безопасность. -СПб.: Изд-во С.- Петерб. Унта, 2001. - 0,25/0,1 п.л.

25. Хорошилов O.A., Малинин В.Р. Исследование критических параметров пламегашения огнезадерживающих элементов сухих огнепреградителей УУ Крупные пожары: предупреждение и тушение: Труды

XVI научно-практической конференции по вопросам борьбы с пожарами. Москва, 30-31 октября 2001 г, 2001. - 0,2/0,1 п.л.

26. Киселев Я.С., Малинин В.Р., Хорошилов O.A. Исследование влияния длины каналов на эффект гашения пламени в сухих огнепреградителях // Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона: Труды II международной научно-практической конференции, Санкт-Петербуг, 18 октября. - Санкт-Петербург, 2001. - 0,25/0,1 п.л.

27. Хорошилов O.A. Анализ существующих моделей гашения пламени в сухих огнепреградителях // Экология, энергетика, экономика: Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск IV. Пожарная и промышленная безопасность. - СПб.: Изд-во С.- Петерб. Ун-та, 2001. - 0,2 п.л.

28. Киселев Я.С., Хорошилов O.A., Киселев В.Я. Вынужденное зажигание: стандартный и научный подходы к определению условий возникновения и прекращения горения // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России. - 2003. - №2. - 0,6/0,2 п.л.

29. «Инициирование» горения, волна горения и «источник зажигания» / Я.С. Киселев, O.A. Хорошилов, В.Я. Киселев, B.JI. Новордовская // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России. - 2004. - №2[5]. -0,5/0,2 п.л.

30. Киселев Я.С., Хорошилов O.A. К вопросу о понятии «Источник зажигания» // Международный опыт подготовки специалистов пожарно-спасательного профиля: Материалы международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 20-21 января 2004. - СПб.: Санкт-Петербургский институт ГПС МЧС России, 2004. - 0,25/0,15 п.л.

31. Марухин П.Н., Ивахнюк Г.К., Хорошилов O.A. О возможности повышения огнестойкости сухих огнепреградителей II Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация: Международная научно-практическая конференция, Минск, 7-9 июня 2005. - Минск, 2005. - 0,3/0,1 п.л.

32. Марухин П.Н., Хорошилов O.A. Экспериментальное исследование сухих огнепреградителей // Экология, энергетика, экономика:

Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск IX. Промышленная и пожарная безопасность. - СПб.: Изд-во Менделеев, 2005. -0,4/0,2 п.л.

33. Киселев Я.С., Хорошилов O.A. Сервис пожарной безопасности при реализации современных достижений в области физики горения // Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы: Материалы научно-практической конференции. Том II. Санкт-Петербург, 23-24 апреля 2008 года. / Сост. B.C. Артамонов, Н.И. Уткин, Г.Ф. Архипов, O.E. Евсеева, Ю.А. Волкова. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2008.- 0,2/0,1 п.л.

34. Крутолапов A.C., Хорошилов O.A. Использование сеточных экранов для ограничения и тушения пожаров технологического оборудования // Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, 18 мая 2009 года, Санкт-Петербург. Том 2. - СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2009. -0,12/0,06 п.л.

35. Защита дыхательной арматуры и газоуравнительных обвязок резервуаров от распространения пожаров с помощью сухих огнепреградителей / O.A. Хорошилов, Ю.К. Потеряев, A.C. Крутолапов, М.Р. Сытдыков // Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, 18 мая 2009 года, Санкт-Петербург. Том 2. - СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2009. - 0,2/0,05 п.л.

36. Хорошилов O.A., Марухин П.Н. Исследование огнестойкости пламегасящих насадок сухих огнепреградителей // Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, 18 мая 2009 года, Санкт-Петербург. Том 2. - СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2009. -0,2/0,1 п.л.

37. Потеряев Ю.К., Хорошилов O.A. Влияние текстуры внутренних поверхностей сухих огнепреградителей на их пламенепроницаемость // Экология, энергетика, экономика: Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск XI. Пожарная, промышленная и экономическая безопасность. -СПб.: Изд-во «Синтез», 2009. - 0,25/0,1 п.л.

38. Хорошилов O.A., Потеряев Ю.К. Защита дыхательной арматуры и газоуравнительных обвязок на нефтеперерабатывающих предприятиях в условиях чрезвычайных ситуаций // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: Труды четвертой Всероссийской научно-практической конференции, 21-22 апреля 2009 года, Санкт-Петербург. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2009. -0,2/0,1 п.л.

39. Хорошилов O.A., Марухин П.Н. К вопросу о сертификации сухих промышленных огнепреградителей // Безопасность критичных инфраструктур и территорий: Материалы III Всероссийской конференции. -Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - 0,25/0,15 п.л.

40. Любимов Е.В., Хорошилов O.A., Пахарьков И.Г. Учет основных угроз в проектировочных моделях систем обеспечения безопасности на морских технических средствах // Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам: Труды пятой международной научно-практической конференции, 20-22 октября 2009 года, Санкт-Петербург. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2009.-0,45/0,15 п.л.

41. Хорошилов O.A., Марухин П.Н., Потеряев Ю.К. Создание лаборатории по испытанию и сертификации сухих промышленных огнепреградителей // Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы: Материалы II международной научно-практической конференции. Том I. Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2009. - 0,25/0,1 п.л.

42. Хорошилов O.A., Потеряев Ю.К., Турсенев С.А. Возможности компьютерного моделирования систем пожарной и промышленной безопасности // Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы: Материалы II международной научно-практической конференции. Том II. Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009. -СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2009. - 0,2/0,1 п.л.

43. Хорошилов O.A., Котов И.Ю. Использование пламегасящих элементов с теплообменными устройствами для повышения огнестойкости промышленных огнепреградителей // Высокие интеллектуальные

технологии и инновации в образовании и науке: Материалы XVII международной научно-методической конференции, 11-12 февраля 2010 года, Санкт-Петербург. Том 2. -СПб.: Изд-во Политехи.ун-та, 2010. -0,12/0,06 п.л.

44. Использование промышленных огнепреградителей для ограничения распространения пожаров на потенциально опасных объектах нефтегазовой отрасли / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, Ю.К. Потеряев, П.Н. Марухин // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды тринадцатой Всероссийской научно-практической конференции, 5-8 апреля 2010 года, Санкт-Петербург. Том 2. - СПб.: Изд-во PAP АН, 2010. -1,1/0,3 п.л.

45. Испытание промышленных огнепреградителей на пламенепроницаемость / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, Ю.К. Потеряев, М.Р. Сытдыков // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации: Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции, 15 апреля 2010 года, Екатеринбург. - Уральский институт ГПС МЧС России, 2010. - Ч 3. - 0,25/0,1 п.л.

46. Испытание промышленных огнепреградителей на огнестойкость / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, М.Р. Сытдыков, Ю.К. Потеряев // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации: Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции, 15 апреля 2010 года, Екатеринбург. -Уральский институт ГПС МЧС России, 2010.-43,- 0,12/0,03 п.л.

47. Хорошилов O.A., Потеряев Ю.К., Котов И.Ю. Компьютерное моделирование процессов теплообмена в каналах огнепреградителей // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации: Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции, 15 апреля 2010 года, Екатеринбург. - Уральский институт ГПС МЧС России, 2010.-4 3. - 0,12/0,04 п.л.

48. Хорошилов O.A., Котов И.Ю. Использование взрывостойких огнепреградителей на технологических системах промышленных объектов // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: Труды пятой Всероссийской научно-практической

конференции, 20-21 апреля 2010 года, Санкт-Петербург. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2010. - 0,2/0,1 п.л.

49. Испытание сухих промышленных огнепреградитслей в статических условиях / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, Ю.К. Потеряев, М.Р. Сытдыков // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: Материалы XIV Всероссийской конференции, 13-14 мая 2010 года, Санкт-Петербург. Том 2. - СПб.: Изд-во Политехи .ун-та, 2010. - 0,2/0,05 п.л.

50. Испытание сухих промышленных огнепреградителей в динамических условиях / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, М.Р. Сытдыков, Ю.К. Потеряев // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: Материалы XIV Всероссийской конференции, 13-14 мая 2010 года, Санкт-Петербург. Том 2. -СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2010. - 0,18/0,05 п.л.

51. Результаты исследования сетчатых огнепреградителей на пламенепроницаемость / O.A. Хорошилов, И.Ю. Котов, М.Р. Сытдыков, Ю.К. Потеряев // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: Материалы XIV Всероссийской конференции, 13-14 мая 2010 года, Санкт-Петербург. Том 2. - СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2010. - 0,18/0,05 п.л.

52. Хорошилов O.A., Потеряев Ю.К., Котов И.Ю. Использование пакетов прикладных программ для газодинамических расчетов в каналах огнепреградителей // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: Материалы XIV Всероссийской конференции, 13-14 мая 2010 года, Санкт-Петербург. Том 2. -СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2010. - 0,18/0,06 п.л.

53. Хорошилов O.A. Проблемы и перспективы конструирования, испытания и сертификации промышленных огнепреградителей // Актуальные проблемы промышленной безопасности: от проектирования до страхования. Сборник докладов VIII Международного форума по промышленной безопасности, 24-27 мая 2010 года, Санкт-Петербург. -СПб.: Изд-во ГЦЭ, 2010. - 0,38 п.л.

54. Oleg Horoshilov, Sergey Vakulenko, Igor Kotov. Using of industrial fire barriers for fires localization in oil and gas complex // Fire engineering: Proceedings of the 3rd international Scientific Conference, 5th - 6th Oct. 2010, Technical University in Zvolen, 2010. - 0,4/0,2 п.л.

55. Хорошилов O.A., Котов И.Ю. Разработка новых конструкций огнепреградителей сухого типа для снижения риска возникновения крупных пожаров при перевозке нефти и нефтепродуктов железнодорожным и морским транспортом // Техносферная и экологическая безопасность на транспорте: Материалы II международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 16-18 ноября 2010. -СПб.: ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», 2010. -0,2/0,1 п.л.- ISBN 978-5-7614-0270-2.

56. Малинин В.Р., Крутолапов A.C., Хорошилов O.A. Огнезащищенные металлические сетки - эффективное средство пассивной противопожарной защиты // Пожарная безопасность. Научные идеи и внедрения: Сборник научных трудов. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011.-0,18/0,06 п.л.

57. Экспериментальная установка для испытания сухих огнепреградителей / П.Н. Марухин, O.A. Хорошилов, A.C. Чернодедов, A.C. Крутолапов, A.B. Герасин // Пожарная безопасность. Научные идеи и внедрения: Сборник научных трудов. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. - 0,44/0,1 п.л.

58. Крутолапов A.C., Востряков С.А., Хорошилов O.A. Пассивные средства пожаротушения на основе металлических сеток различной степени ячеистости: проблемы, возможности и предполагаемые области применения // Пожарная безопасность. Научные идеи и внедрения: Сборник научных трудов. -СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. -0,6/0,2 п.л.

59. Востряков С.А., Крутолапов A.C., Хорошилов O.A. Возможности применения сеточных устройств для тушения пожаров, связанных с горением нефти и нефтепродуктов // Пожарная безопасность. Научные идеи и внедрения: Сборник научных трудов. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. - 0,06/0,02 п.л.

60. Использование насадок на основе базальта и цеолитов для повышения надежности и огнестойкости сухих промышленных огнепреградителей / Ю.К. Потеряев, O.A. Хорошилов, A.C. Крутолапов, A.B. Герасин // Пожарная безопасность. Научные идеи и внедрения: Сборник научных трудов. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. - 0,6/0,15 п.л.

61. Хорошилов O.A., Котов И.Ю., Мамонтов В.В. Создание огнепреградителей для длительной локализации пламени на технологических системах объектов нефтегазового комплекса // Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке: Материалы XVIII международной научно-методической конференции, 1718 февраля 2011 года, Санкт-Петербург. Том 3. - СПб.: Изд-во Политехи.унта, 2011.-0,2/0,1 п.л.

62. Хорошилов O.A. Модель гашения пламени в узких каналах промышленных огнепреградителей // Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке: Материалы XVIII международной научно-методической конференции, 17-18 февраля 2011 года, Санкт-Петербург. Том 3. - СПб.: Изд-во Политехи.ун-та, 2011. - 0,25 п.л.

Подписано в печать 28.02.2011 Печать цифровая

Формат 60x84 1/16 Тираж 100 экз.

Объем 2,0 п.л.

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

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной

службы МЧС России

На правах рукописи

05201100370

Хорошилов Олег Анатольевич

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И НОРМАТИВНЫЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ, ИСПЫТАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ

05.26.03 — пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, доктор военных наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации B.C. Артамонов

Санкт-Петербург - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................6

Глава 1. Комплексный анализ теоретических, методологических и нормативных подходов к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей........................................18

1.1 Назначение и классификация промышленных огнепреградителей.............18

1.2 Область применения промышленных огнепреградителей и особенности локализации пламени..............................................................................................23

1.3 Анализ теоретических и экспериментальных работ по гашению пламени в промышленных огнепреградителях...................................................32

1.4 Анализ существующих методологических и нормативных подходов к конструированию и испытанию промышленных огнепреградителей...............47

1.5 Анализ практики эксплуатации промышленных огнепреградителей.........63

Выводы по главе 1...................................................................................................70

Глава 2. Разработка теоретических и методологических основ конструирования, испытания и повышения эффективности промышленных огнепреградителей, предназначенных для локализации пламени в условиях неподвижной горючей смеси.................72

2.1 Разработка модели гашения пламени в условиях неподвижной горючей смеси.........................................................................................................................72

2.2 Разработка метода испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность..............................................................................................................87

2.3 Экспериментальные исследования сетчатых и канальных пламегасящих элементов огнепреградителей................................................................................95

2.4 Разработка метода повышения эффективности огнепреградителей

путем нанесения текстуры на поверхность пламегасящего элемента...............97

2.4.1 Обоснование возможности повышения эффективности огнепреградителей путем нанесения текстуры на поверхность пламегасящего элемента.........................................................................................97

2.4.2 Разработка виртуальной модели гашения пламени в каналах огнепреградителей.................................................................................................116

2.4.3 Экспериментальное исследование канальных пламегасящих элементов с текстурированной поверхностью..................................................124

2.4.4 Разработка усовершенствованных конструкций промышленных огнепреградителей.................................................................................................126

Выводы по главе 2.................................................................................................129

Глава 3. Разработка теоретических и методологических основ конструирования, испытания и повышения огнестойкости промышленных огнепреградителей, предназначенных для локализации пламени в условиях движущейся горючей смеси................131

3.1. Разработка модели гашения пламени в условиях движущейся через огнепреградитель горючей смеси........................................................................131

3.2. Разработка метода испытания огнепреградителей на огнестойкость.......136

3.3 Экспериментальные исследования огнестойкости огнепреградителей .... 141

3.3.1 Экспериментальное исследование огнестойкости сетчатых огнепреградителей.................................................................................................141

3.3.2 Экспериментальное исследование огнестойкости кассетных огнепреградителей.................................................................................................142

3.3.3 Экспериментальное исследование огнестойкости огнепреградителей

с пламегасящими элементами из гранулированных материалов.....................152

3.4 Анализ методов повышения огнестойкости промышленных огнепреградителей.................................................................................................157

3.4.1 Метод, основанный на уменьшении времени взаимодействия пламени с пламегасящим элементом...................................................................157

3.4.2 Метод, основанный на увеличении продолжительности защитного действия пламегасящего элемента.......................................................................174

3.5. Разработка метода повышения огнестойкости огнепреградителей путем использования гранулированных пористых материалов, депонированных флегматизаторами и ингибиторами горения......................183

3.6. Разработка метода повышения огнестойкости огнепреградителей

путем введения в их конструкцию теплообменных блоков..............................193

3.7. Разработка метода противопожарной защиты резервуаров и газоуравнительных обвязок..................................................................................204

Выводы по главе 3.................................................................................................207

Глава 4. Разработка методологических основ конструирования и испытания детонационностойких промышленных огнепреградителей 209

4.1. Разработка метода испытаний огнепреградителей на детонационную стойкость................................................................................................................209

4.2. Экспериментальные исследования стойкости огнепреградителей к воздействию детонационной волны....................................................................214

4.3. Разработка метода повышения детонационной стойкости огнепреградителей.................................................................................................216

Глава 5. Разработка нормативных основ конструирования, испытания и эксплуатации промышленных огнепреградителей..................................225

5.1 Положения, регламентирующие область применения проекта стандарта «Огнепреградители. Общие технические требования. Методы испытаний».............................................................................................................226

5.2 Нормативные ссылки..................................................................................227

5.3 Термины и определения.............................................................................229

5.4 Классификация огнепреградителей...........................................................232

5.5 Положения, регламентирующие технические требования к конструкциям огнепреградителей.......................................................................234

5.6 Маркировка огнепреградителей................................................................241

5.7 Положения, регламентирующие правила приемки огнепреградителей242

5.8 Положения, регламентирующие требования к методам испытаний огнепреградителей.................................................................................................245

5.9 Требования к комплектности поставки огнепреградителей, упаковке

и документации......................................................................................................246

5.10 Положения, регламентирующие требования к эксплуатации огнепреградителей.................................................................................................249

Выводы по главе 5.................................................................................................252

Заключение...........................................................................................................254

Литература..............................................................................................................258

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с положениями статьи 59 Технического регламента о требованиях пожарной безопасности [1], одним из направлений противопожарной защиты промышленных объектов является применение устройств, обеспечивающих ограничение распространения пожара за пределы очага. На технологических системах объектов нефтегазового комплекса в качестве таких защитных устройств используются сухие промышленные огнепреградители, которые свободно пропускают потоки паро- или газовоздушных горючих смесей через твердую пламегасящую насадку (пламегасящий элемент), но в то же время должны препятствовать распространению пламени в случае возникновения пожара или взрыва.

Необходимость их применения регламентируется целым рядом зарубежных, общероссийских и ведомственных норм и правил [7-14]. Однако на объектах нефтегазового комплекса России и за рубежом неоднократно имели место случаи, когда данные защитные устройства не обеспечивали локализацию пламени и последствия пожаров значительно усугублялись (распространение пламени по газоуравнительным и факельным системам на группу технологических аппаратов, по парогазовоздушным линиям адсорбционных и абсорбционных установок, проникновение пламени через дыхательные клапана внутрь резервуаров с последующим взрывом и т.п.) [135, 181, 200, 210, 217, 218, 220, 223, 224, 225, 226, 228, 228, 244, 245, 296].

В качестве одного из недавних примеров можно отметить пожар, который произошел 22 августа 2009 года в резервуарном парке линейной производственно-диспетчерской станции «КОНДА» на территории Кондинского района Ханты-Мансийского автономного округа Тюменской области. План резервуарного парка показан на рисунке 1.

Станция пеноводотушения

Рисунок 1 — План резервуарного парка ЛПДС ««КОНДА» с расстановкой сил и средств на момент прибытия первого пожарного подразделения (17 часов 10 минут 22.08.2009 г.)

Резерву арный парк станции состоял из восьми резервуаров РВС объемом по 20 000 м3 каждый. Пожар начался в 17 часов 10 минут со взрыва в резервуаре №7, вызванного прямым попаданием молнии. Спустя 25 минут после этого, то есть в 17 часов 35 минут, произошел взрыв в рядом расположенном резервуаре №8 (рисунок 2). Данный взрыв зафиксирован на фотографии (рисунок 3).

<'

С52>

спвт

- фрагменты конструкций РОС Л? 8 у, - места обнаружения погибших

- места расположения поврежденной пожарной техники

Рисунок 2 — Обстановка на пожаре после взрыва в резервуаре №8 (17 часов 35 минут 22.08.2009 г.)

^: Щ

% ' '

^ шмКмь.'

Рисунок 3 — Фото взрыва резервуара РВС №8 на ЛПДС ««КОНДА»

(17 часов 35 минут 22.08.2009 г.)

В ходе проведения расследования установлено, что распространение пожара из резервуара №7 в резервуар №8 произошло по газоуравнительной обвязке данных резервуаров вследствие проскока пламени через огнепреградитель. Фото огнепреградителя с прогоревшей пламегасящей кассетой показано на рисунке 4. Последствия пожара видны на рисунке 5.

Рисунок 4 — Фото огнепреградителя после пожара

Рисунок 5 — Последствия пожара на ЛПДС ««КОНДА»

Все указанные выше факты свидетельствуют о недостаточной надежности применяемых в настоящее время промышленных огнепреградителей и необходимости их усовершенствования. Очевидно, что проведенные до настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования в России и за рубежом не позволили решить обозначенную проблему на уровне, соответствующем современному развитию прикладной науки пожарной безопасности.

Наряду с этим следует отметить, что в Российской Федерации длительное время отсутствовал нормативный документ, регламентирующий требования к конструкциям и методам испытаний промышленных

огнепреградителей. В 2009 году впервые разработан и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии ГОСТ Р 53323 - 2009 [5]. В данном стандарте изложены общие технические требования к огнепреградителям и искрогасителям, отражены методы их испытаний и приведена принципиальная схема экспериментального стенда.

Следует констатировать, что, несмотря на важность разработки данного нормативного документа, он в своей методологической основе имеет ряд существенных недостатков, которые не позволяют радикально решить в комплексе существующие в настоящее время проблемы, связанные с конструированием, испытанием и эксплуатацией промышленных огнепреградителей.

Прежде всего, обращает на себя внимание то, что приведенные в стандарте технические требования и методы испытаний отражены в едином контексте как к огнепреградителям, так и к искрогасителям. Хотя очевидно, что назначение, принцип действия, область применения и условия эксплуатации данных защитных устройств различны.

Методы испытаний вместе со стендовым оборудованием, предложенные в стандарте, не позволяют в полной мере проводить испытания огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость, поскольку не учтены особенности их размещения на технологическом оборудовании и особенности эксплуатации отдельных видов огнепреградителей. Вопросы, связанные с испытанием коммуникационных огнепреградителей на стойкость к воздействию детонационной волны, а также вопросы, регламентирующие требования к эксплуатации промышленных огнепреградителей, имеющие исключительно важное значение, в действующем стандарте не нашли методологического развития. Аналогичные зарубежные стандарты имеют такие же недостатки (CEN european standard EN 12874-2001, BSI EN 12874-2001, USCG 33CFR).

С учетом этого возникла потребность разработки концептуально нового методологического и нормативного подхода к конструированию и испытанию промышленных огнепреградителей, а также подготовки на основе новой научной концепции предложений по разработке стандарта применительно к огнепреградителям, учитывающего специфику их эксплуатации на технологических системах потенциально опасных промышленных объектов.

На основании изложенного сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы - разработка комплексного методологического подхода, составляющего основу нормирования требований к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей.

Для достижения цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

• разработать модели гашения пламени, являющиеся основой для расчетного обоснования конструкций промышленных огнепреградителей;

• разработать методы повышения эффективности промышленных огнепреградителей, их огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;

• разработать усовершенствованные конструкции промышленных огнепреградителей;

• разработать экспериментальные стенды и методы испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость с учетом особенностей их эксплуатации на технологических системах объектов нефтегазового комплекса;

• провести экспериментальные исследования усовершенствованных конструкций огнепреградителей;

• разработать проект государственного стандарта «Огнепреградители. Общие технические требования. Методы испытаний».

Объектом исследования являлись промышленные огнепреградители.

Предмет исследования — качественные и количественные показатели, характеризующие защитные свойства промышленных огнепреградителей.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов моделирования и путем проведения натурных экспериментов. При обработке результатов использовались методы математической статистики и системного анализа.

Научная новизна:

• разработаны модели гашения пламени в огнепреградителях в условиях неподвижной горючей смеси и при разогреве пламегасящего элемента в условиях движущейся горючей смеси, учитывающие влияние длины каналов и температуры на эффект гашения пламени;

• с использованием пакета прикладных программ Fluent разработана виртуальная модель гашения пламени в каналах огнепреградителей для оценки влияния текстуры поверхностей пламегасящих элементов на пламенепроницаемость и сопротивление газовому потоку;

• разработаны новые методы повышения эффективности огнепреградителей, огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;

• на основе проведенных исследований разработаны новые конструкции промышленных огнепреградителей;

• разработан новый метод противопожарной защиты резервуаров и газоуравнительных обвязок.

Практическая значимость:

• разработаны методы испытаний и экспериментальные стенды, которые предлагается использовать для проведения приемо-сдаточных, периодических, сертификационных и типовых испытаний огнепреградителей в условиях, близких к промышленному использованию данных защитных устройств;

• разработаны усовершенствованные конструкции резервуарных и коммуникационных огнепреградителей, предназначенные для надежной и длительной защиты от распространения пожаров по технологическим системам объектов нефтегазового комплекса;

• разработан проект государственного стандарта, который регламентирует требования к конструированию, испытанию и эксплуатации огнепреградителей с учетом специфики их использования на технологических системах потенциально опасных промышленных объектов нефтегазового комплекса.

Достоверность изложенных в диссертации положений и выводов подтверждается значительным объемом экспериментальных исследований, использованием современных и апробированных математических методов; высокой сходимостью результатов модельного и натурного экспериментов; согласованностью полученных результатов с известными данными других исследований, достаточной апробацией научных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

• модели гашени