автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах подачей пены через водно-солевой слой

«в оп

На правах рукописи

БЯКОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В РЕЗЕРВУАРАХ ПОДАЧЕЙ ПЕНЫ ЧЕРЕЗ ВОДНО-СОЛЕВОЙ СЛОЙ

Специальность: 05.26.03 Пожарная безопасность

(технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

подпись соискателя

МОСКВА 1997

Работа выполнена в Московском институте пожарной безопасности МВД России на кафедре общей и специальной химии.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шароварников Александр Федорович

доктор технических наук, старший научный сотрудник Шебеко Юрий Николаевич

кандидат технических наук, Андреев Александр Петрович

Ведущая организация: Тольяттинское высшее воен -

ное командно-инженерное строительное училище МО России

Защита состоится " 29 " сентября 1997 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 052.03.01 в Московском институте пожарной безопасности МВД России по адресу: 129366, Москва, ул.Б.Галушкина, д.4 зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИПБ МВД России.

Автореферат разослан "Си?и/£ГС- 1997 года,

исх. № . ~

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в МИПБ МВД России по указанному адресу.

Телефон для справок 283-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Т.Г.Меркушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

- Перспективным направлением в обеспечении противопожарной защиты резервуаров является применение системы подслойного тушения (СПТ), в которой низкократная пена подается в основание резервуара. Очевидные преимущества этого способа пожаротушения связаны с обеспечением пожаровзрывобезопасности паро-воздушного пространства внутри резервуара, а также с увеличением полезного объема резервуара и использованием прогрессивной технологии улавливания лёгких фракций нефти. Эффективность действия системы подслойного тушения сохраняется независимо от времени протекания пожара, поскольку пена поднимается на поверхность с "холодной" нефтью.

Проблема применения системы подслойного тушения - СПТ для защиты нефтяных резервуаров с многометровым слоем воды, заключается в растворимости пены в воде. Пена пена в этом случае поднимется через водный раствор без разрушения только при его насыщении пенообразователем, до определенной концентрации. Предварительная оценка необходимых, для насыщения, затрат пенообразователя составляет 1...2 кг на 1м3воды. Следовательно, для тушения резервуара РВС-5000 с высотой водного слоя 8...9 м необходимо 4...5 тонн концентрированного пенообразователя или более 100-150 м3 водного рабочего раствора.

Реальность осуществления подслойного способа тушения возникла после освоения производства особого типа пенообразователей, которые формируют пены не смешивающиеся с углеводородами и образуют водные пленки самопроизвольно растекающиеся по поверхности нефти.

Применение подслойного способа для защиты нефтяных резервуаров, содержащих многометровый слой воды является актуальной проблемой. Кроме того, водный раствор содержит значительное количество неорганических солей, которые могут привести к потере огнетушащей способности и устойчивости пены.

Технологический процесс отделения нефти от воды происходит, как правило, в резервуарах РВС - 5000. Поскольку нефть в резервуаре непрерывно обновляется, а соде-

ржание воды в ней достигает 70%, то даже регулярный дренаж, не позволяет ликвидировать значительный донный слой воды, составляющий 5...9 метров.

Для успешного применения системы подслойного тушения в резервуарах с водно-солевым слоем необходимо выявить особенности процесса тушения.

Поэтому, является актуальной задача исследовать механизм тушения пожаров в резервуарах - отстойниках с применением системы подслойного тушения.

Цель диссертационной работы состоит в определении влияния водно - солевого слоя на процесс тушения пламени нефти в резервуарах при подслойной подаче пены.

Для достижения поставленной цели необходимо в комплексе решить следующие задачи:

- исследовать процесс тушения пламени нефти и нефтепродуктов в условиях изменения концентрации солей жесткости водного раствора и его высоты, природы пенообразователей и способа подачи пены;

- исследовать изолирующую эффективность, поверхностную активность, пенообразующую способность растворов пенообразователей и пены, полученной на их основе после прохождения через водный раствор;

- выявить основные стадии процесса тушения и предложить эмпирические соотношения для оценки времени тушения и минимального удельного расхода огнетушащего вещества;

- разработать стендовую установку для проведения экспериментов и методику испытаний, позволяющую учитывать влияние водно - солевого слоя на процесс тушения пламени различных нефтепродуктов;

- разработать рекомендации по тушению резервуаров РВС-5000 с водно-солевым слоем.

Научная новизна работы : Показано, что определяющими стадиями процесса тушения пламени при подаче пены через водно-солевой раствор являются: растворение и поглощение части пены водным раствором; изменение состава стабилизаторов пены в процессе подъема к поверхности горения; образование на

поверхности нефти пенного слоя и водной пленки. Доказано, что пена, прошедшая через слой воды обладает повышенной термоустойчивостью и пониженной растекае-мостью по поверхности горения.

Установлено, что начало формирования тушащего слоя пены происходит после растворения части пены, обеспечивающей достижение плотного адсорбционного монослоя на границе раздела фаз. Эта концентрация в 50-100 раз ниже значения критической концентрации мицеллообразо-вания (ККМ) пенообразователя.

Показано, что скорость разрушения пены при подъеме через водный слой резко снижается после формирования поверхностного монослоя из молекул поверхностно-активного вещества (ПАВ).

Установлено, что скорость контактного разрушения пены снижается при использовании более концентрированных растворов пенообразователей.

Показано, что интенсивность контактного разрушения пены возрастает с повышением удельного расхода пены через фиксированное количество пенных насадков.

Предложен механизм и эмпирические соотношения для оценки времени тушения и минимального удельного расхода огнетушащего вещества, критической интенсивности подачи пены и удельной скорости тушения пожаров в резервуарах, содержащих водно-солевой слой.

Разработана оригинальная методика и экспериментальная установка, позволяющая исследовать механизм тушения пожаров в резервуарах подачей пены через водно-солевой слой.

Практическая ценность работы. На основе результатов исследований разработаны и внедрены "Рекомендации по проектированию системы подслойного тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах объединения АО "ТАТНЕФТЬ".

Опробирование материалов диссертации проведено на пятой и шестой Международных конференциях по проблемам информатизации систем безопасности (Москва, ВИПТШ 1995, МИПБ 1996 г.г.), на Международной конфе-

ренции по проблемам безопасности крупных городов (Москва, 1996г.), на научно-технической конференции "Научно-технические решения и разработки по предотвращению и ликвидации пожаров" (Москва, ВИПТШ, 1995г.), на XIII Всероссийской научно-практической конференции по пожарной безопасности (Москва, ВНИИПО, 1995г.), на научно-практической конференции "Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах" (Москва, МИПБ, 1996г.), на итоговой конференции по результатам научно-исследовательских работ слушателей ВИПТШ МВД РФ (Москва, 1996), на кафедральных заседаниях МИПБ МВД РФ (1994-1996, гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Общий объем диссертации составляет 215 страниц, в том числе 60 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 157 наименований и 2 приложения.

На защиту выносятся:

- механизм процесса тушения пламени в резервуарах содержащих многометровый водно-солевой раствор;

- результаты комплексных исследований процесса тушения пожаров в резервуарах в условиях стендовых и полигонных испытаний;

- экспериментальные данные, характеризующие влияние вида и состава пенообразователя на изолирующую эффективность пены;

- комплекс оригинальных методов исследования растворения пены в водном растворе и определения её тушащей способности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность определения степени влияния водно-солевого раствора и вида фторированного пенообразователя на процесс тушения пламени в резервуаре. Сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность полу-

ченных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан краткий анализ литературы, который отражает статистику пожаров в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами, современные средства и способы тушения пожаров в резервуарных парках. Анализируются существующие взгляды на процесс тушения нефтепродуктов пенами. Показано, что существующие системы противопожарной защиты резервуаров, в которых используется пена средней кратности не обеспечивают надежную защиту, поскольку при взрывах, в первые минуты пожара, они, как правило, выходят из строя.

Анализ литературных источников показал, что в последние 20 лет в практику противопожарной защиты резервуаров за рубежом активно внедряется новая система, которая позволяет вводить низкократную пену непосредственно в слой горючей жидкости у основания резервуара.

Рассмотрены преимущества системы "подслойного" пожаротушения, к которым относится: надежность тушения независимо от времени пожара, предотвращение возможности повторного возгорания нефтепродукта, совместимость системы с технологией газоулавливания паров нефтепродуктов, предотвращение возможности вскипания и выброса нефти, использование фторсинтетических пленкообразующих пенообразователей и т.д.

Приводятся количественные соотношения, которые используются различными авторами при описании процесса тушения нефтепродуктов пенами, и, в частности, системы подачи пены в слой горючего. Подробно рассмотрены исследования по созданию отечественной системы подслойного пожаротушения. На основании данных, полученных при анализе патентной и научной литературы, проводится выбор основных направлений исследований.

Вторая глава содержит описание ряда экспериментальных методов исследований, использование которых вызвано необходимостью комплексного исследования свойств пены и пенообразователя. К ним относятся уже известные в практике научных исследований методы опреде-

ления коллоидно-химических свойств растворов ПАВ и эффективности защитного действия водных пленок на поверхности нефтепродуктов, а также разработанные при непосредственном участии автора диссертации методы исследования растворения ПАВ в водном слое, и определения огне-тушащей эффективности пленкообразующих фторсодержа-щих пен, подаваемых в слой нефтепродукта через водно-солевой раствор. Приведен перечень веществ, используемых в работе.

Особенностью разработанной стендовой методики экспериментального изучения процесса тушения является возможность искусственно изменять уровень и "жёсткость" водного слоя. При этом на основе сопоставления приведенных удельных расходов в натурном резервуаре и на стенде, получены количественные расходные характеристики. Расчет базировался на формулах, предложенных Блиновым-Худяковым в работах посвященных анализу процесса тушения пожаров тяжелых нефтей методом перемешивания воздухом.

Описана упрощенная методика подготовки и проведения натурных полигонных огневых экспериментов.

В третьей главе описаны основные результаты экспериментальных исследований, которые получены в условиях стендовых лабораторных экспериментов и крупномасштабных полигонных испытаний. Представлены данные опытов, позволяющие выявить закономерности процесса тушения пламени различных углеводородов подачей пены через слой воды, а также определить изолирующую эффективность, поверхностную активность, пенообразующую способность растворов пенообразователей и пены, полученной на их основе после прохождения через водный раствор. Экспериментальные исследования проведены с использованием фторированных пенообразователей: "Универсальный-П" (УПО), "Подслойный" (ППО) - Россия, ФС- 203А фирмы "ЗМ" - Бельгия, "Гидрал-3" фирмы "САБО"- Италия, "Экспирол" фирмы "Пирна Копитц" - Германия, "Фторпротеиновый" (ФППО) - Россия-Казахстан. Упрощенная картина, отражающая механизм прохож-

дения через водно-солевой слой и углеводород представлена на рис.1.

На рис.2, показана зависимость времени тушения пламени горючей жидкости (тт) от интенсивности подачи пены (3). Оценка этой зависимости является основным методом исследования огнетушащей эффективности.

Характеристиками огнетушащей эффективности являются следующие величины:

• критическая интенсивность подачи пены (Зкр);

• оптимальная интенсивность подачи пены (Зопт);

• удельная скорость тушения пламени углеводорода

(Щ

• удельный расход огнетушащего вещества ((^ул).

На этом же рисунке иллюстрируются кривые удельной скорости тушения (ЪТ) и удельного расхода огнетушащего вещества (Руд) в зависимости от интенсивности подачи. Совместное расположение этих кривых позволяет оптимизировать процесс тушения. Оптимум находится по минимальной величине удельного расхода пенообразователя на тушение единицы поверхности нефтепродукта. При этом интенсивность, соответствующая положению минимума на кривой (}уд - 3, является оптимальной 30Пт. Кроме того, процесс тушения можно оптимизировать по результатам зависимости удельной скорости тушения (110 от интенсивности подачи пены. Максимальное значение Цт также соответствует оптимальной интенсивности подачи огнетушащего вещества 30Пт •

В данной работе в качестве оптимальной интенсивности подачи пены использовали усреднённое значение интенсивности, расположенное между максимумом на кривой удельной скорости тушения и минимумом на кривой удельного расхода (см. рис.2).

Тушение пламени гептана подслойной подачей пены непосредственно через слой горючего из различных пенообразователей показано на рис.3. На рис.4, изображены экспериментальные данные тушащей способности этих же пенообразователей при подаче через водный раствор.

Огнетушащая эффективность пенообразователя "Гид-

Рис.1. Схема взаимодействия пены с водным слоем и нефтепродуктом в процессе подъема к поверхности горения

Рис.2. Оценка огнетушащей эффективности различных пенообразователей при подаче через слой горючего и воды

зоо

□ -"Гндрал-З" В - "ФС-203А" Д- "Универсальный-П" 0-"Подслониый" ^ - "Фторпротеттовьш"

150

о 100

□ - "Гидрал-З" ■ - "ФС-203А" Д - "УннверсальныЛ-П" О - "Подслойный" — А - "Фторпротсиновын"

-о- Д-_1. л О _Д

■ ' ж к

0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 Интенсивность подачи нены(З), кг/(м2-с)

Рис.3. Результаты тушения гептана на стендовой установке различными пенообразователями при подаче непосредственно через слой гептана

О 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 Интенсивность подачи пены ( 3 ), кг/(м2* с)

Рис.4. Выбор оптимальной концентрации пенообразователя "Универсальный" при тушении гептана через воду с содержанием солей жёсткости 2 ммоль/л

рал-3" в зависимости от высоты водно-солевого слоя изображена на рис.5.

Чтобы изучить изолирующую способность различных пенообразователей были проведены опыты по исследованию зависимости интенсивности испарения чистого углеводорода и углеводорода с нанесенным на его поверхность водным раствором различных пенообразователей. На рис.6 показаны результаты экспериментов защитного действия водных пленок, которые выделились из пены, прошедшей водно-солевой раствор.

Экспериментальные данные поверхностной активности пенообразователей в зависимости от концентрации представлены на рис.7.

Четвертая глава посвящена анализу результатов процесса тушения пламени нефтепродуктов продслойным способом при подаче пены через водно-солевой раствор и разработке соотношений, позволяющих количественно его оценить.

Применение системы подслойного тушения для противопожарной защиты нефтяных резервуаров, содержащих большой слой воды является проблематичным. Проблема заключается в растворимости пены в водной среде. В принципе, пена поднимется через водный слой без разрушения только при его насыщении пенообразователем, до определенной концентрации. Характеристикой насыщения раствора пенообразователем, в коллоидной химии, является критическая концентрация мицеллообразования - ККМ. Проведенная оценка необходимых, для насыщения, затрат пенообразователя составила, например для РВС-5000 с высотой водного слоя 8...9 м около 4...5 тонн концентрированного пенообразователя или более 100-150 м3 водного рабочего раствора.

Стендовые эксперименты дают иные, более оптимистические результаты. В этих экспериментах величина затрат пенообразователя, необходимая для тушения пламени, получилась в 10-15 раз меньше, чем оценивалось предварительно, а концентрация ПАВ в водном слое, необходимая для получения стабильной пены, оказалась на два порядка ниже величины ККМ.

Натурные огневые испытания, проведенные на РВС -5000 (Альметьевск, 1994г.), подтвердили результаты стендовых испытаний, что делает реальным применение СПТ для противопожарной защиты резервуаров - сепараторов обводненной нефти.

Как видно из рис.1 основным этапом процесса подъема пены к поверхности горючего, является ее контакт с водной средой. При этом наиболее отчетливо наблюдается растворение пены и изменение ее состава. В последствии на границе раздела фаз "вода - углеводород" происходит формирование сплошного плотного адсорбционного монослоя из молекул поверхностно-активного вещества, которые имеются в пенообразователе. Только после этого начинает образовываться стабильная пена, способная прекращать горение углеводорода.

Анализ экспериментальных результатов, представленных на рис.3-4, показал, что пена, полученная на основе пенообразователя "Универсальный-П", более чувствительна к действию жёсткой воды, чем из пенообразователя "Гидрал-3". Так, при подаче пены из пенообразователя "Универсальный-П" непосредственно в слой горючего критическая интенсивность подачи пены составляет Зкр = 0,015 кг/(м2- с), а в слой воды с концентрацией солей жесткости 2 ммоль/л уже Окр = 0,056 кг/(м2- с). Минимальный расход пены возрастает с величины 1,6 кг/м2 до 5,5 кг/м2.

Концентрация солей жёсткости не оказывает сильного влияния на процесс тушения пеной из пенообразователей "Гидрал -3" и "ФС -203А". Критическая интенсивность подачи пены для этих пенообразователей возрастает на 50-80 %, в то время как для пенообразователя "Универсальный -П" эта величина возрастает в 4,5 раза. Исследование влияния донной воды на процесс тушения гептана позволило определить виды пенообразователей, способных эффективно прекращать горение различных нефтепродуктов. Установлено, что по характеру влияния водно-солевого слоя на огнетушащую эффективность пен пенообразователи были разделены на две группы. К первой были отнесены составы, которые заметно снижали эффективность при пропускании их пен через водно-солевой слой, а к второй-пенообразова-

тели, сохранившие огнетушащую эффективность. Как следует из полученных результатов пенообразователи "Универсальный-П" и "Подслой-ный" вошли в первую группу, а "Гидрал-3", "ФС-203А" и "Фторпротеиновый" -во вторую.

Из анализа результатов, изображенных на рис.5, видно, что по мере увеличения толщины слоя воды с 0,1 м до 0,9 м происходит увеличение времени тушения - тт с 17 - 20 с до 95 -100 с. При этом минимальный удельный расход пенообразователя ((Зуд) также возрастает в 2,5-3 раза.

С увеличением толщины слоя подтоварной воды до 8 метров (по данным крупномасштабных полигонных испытаний) время тушения возрастает до т = 320 с (см.рис.8). Необычным, на первый взгляд, оказался результат слабого влияния объема водного слоя на время тушения пламени индивидуальных углеводородов, бензина и легкой нефти. В модельных экспериментах объем водного слоя меняли двумя способами: первый - изменяя диаметр нижней части горелки, при этом поддерживая неизменной высоту водного слоя, и второй, изменяя высоту водного слоя, но, сохраняя постоянной площадь сечения емкости. Для сопоставления использовали результаты экспериментов тушения, которые проводились при одинаковой площади зеркала горючей жидкости (см. рис.5).

Если, увеличение высоты горючего приводило к росту времени тушения, то изменение площади сечения, при неизменной его высоте практически не сказывалось на процессе тушения. Повидимому, взаимодействие пены с водой происходит в одинаковом объеме, размеры которого слабо зависят от диаметра емкости, а определяется гидродинамикой потока воды, увлекаемого пеной н процессе ее движения на поверхность.

Анализируя зависимость интенсивности испарения от скорости воздушного потока в пределах от 0,5 до 2,5 м/с удельная скорость испарения гептана с открытой поверхности изменялась от 0,65 до 3,5 г/(м2 • с), в то время, как из под пленки 3%-ного раствора пенообразователя "ФС-203А" значение скорости испарения было постоянно - 0,2 г/(м2- с), даже при Увозя= 1,8 м/с .

СУв = Ом!) м(Ув = 0,001 м3) м(\'в = 0,040 м3) ' м(Ув = 0,015 м3)

О 0,03 0,0« 0,09 0,12 0,15 0,18 Интенсивность подачи пены (3 )> кг/(м^-с)

Рис.5. Результаты тушения гептана подслойным способом при различной высоте и объеме слоя воды пенообразователем "Гидрал"

60 90 120 . и . Время (X), с

Д - Чистыи гептан □ - через 20 с. подачи О "До подачн С=3,0 % масс

- через 10 с. подачи

- через 100 с. подачи

Рис.6 Изолируюшая способность водных пленок пенообразователя "ФС-203А" до и после прохождения через слой воды

3.6

ф Д - "Уииверсалчшй-П" 0 Д- "Пщрал-3"

Рис.7. Зависимость растворе- Рис.8. Сопоставление данных,

ния пены в воде и адсорбции от полученных расчетом (2,3) с

вида пенообразователя и его полигонными и стендовыми

концентрации в растворе экспериментами (1)

Кроме водных растворов пенообразователей, приготовленных непосредственно из концентрата, были изучены растворы, выделившиеся из пены прошедшей через слой воды. Оценка изолирующей эффективности водных пленок пенообразователя "ФС-203А" представленная на рис.6, показала, что проходя через воду пена заметно снижает защитное действие с 90 мин (при Спо = 3% масс до подачи через воду) до 25 мин (через 100 с подачи через воду). Эксперименты показали, скорость испарения горючего из-под пленки увеличивается, если пену отобрали в первые секунды подачи. После достижения определенной концентрации ПАВ в воде происходит стабилизация пены и ее изолирующая способность восстанавливается, хотя ниже примерно в 5-10 раз, чем у исходного раствора. В результате потери из пены при растворении, как правило, углеводородной части ПАВ, термическая устойчивость ее возрастает. Например, изолирующий эффект для пенообразователя "Гидрал-3" при рабочей концентрации составляет 71 = 99%, а после прохождения через водный раствор уг = 51%.

Анализ влияния концентрации пенообразователя на поверхностную активность растворов ПАВ представлено на рис.7.

Установлено, что предельная адсорбция молекул ПАВ на поверхности водного слоя наступает при концентрации на 2 порядка ниже величины ККМ. Анализ зависимостей показывает, что разрушение пены происходит с максимальной скоростью в разбавленных растворах. При достижении концентрации адсорбционного заполнения поверхности воды молекулами ПАВ разрушение пены в воде резко снижается и остается практически постоянным. Повидимому, взаимодействие пены с водой происходит в одинаковом объеме, размеры которого слабо зависят от диаметра емкости.

Эти результаты еще раз доказывают, что взаимодействие пены с водно-солевой средой происходит не по всему объему и определяются гидродинамикой потока воды, увлекаемого пеной в процессе ее движения на поверхность.

Таким образом, наличие водного слоя позволяет го-

ворить о его влиянии на огнетушащую эффективность и поверхностно-активные свойства фторсодержащих пен .

Выявлено взаимодействие пены с водно-солевым слоем, которое определяется гидродинамикой потока воды, увлекаемого пеной в процессе ее движения на поверхность.

Для количественного анализа процесса тушения пламени нефтепродуктов в резервуарах при наличии большого слоя воды, содержащего различную концентрацию солей жёсткости предложен механизм.

Основываясь на результатах работ Блинова-Худякова, в которых исследовалась гидродинамика процесса движения жидкости, увлекаемой струей воздуха, можно определить объем воды, который сопровождает движение пены на поверхность. Если предположить, что зона взаимодействия пены с водой ограничивается этим объемом, то появится возможность объяснить полученные результаты.

Определение количественных соотношений, описывающих процесс тушения, является сложной задачей. В данном механизме прекращения горения наиболее существенными факторами, приводящими к разрушению пены являются:

- термическое воздействие факела пламени £/„,;

- разрушение пены в результате растворения её при контакте с водной средой ир;

Одной из трудностей анализа модели процесса тушения является изменение этих удельных величин по мере прекращения горения. Например, скорость термического распада пены снижается по мере покрытия горящей поверхности, а скорость растворения в воде резко снижается после достижения концентрации адсорбционного заполнения поверхности молекулами поверхностно-активного вещества.

Выявленные в данной работе закономерности показывают, что исследованный механизм тушения близок к, рассмотренному ранее, процессу тушения пожаров полярных водорастворимых горючих жидкостей пенами.

Использование данной методики для тушения резервуаров, содержащих слой воды не представляется возможным. Тем не менее, благодаря анализу процесса растворения, проведенному в этих работах, удается представить картину влияния на процесс тушения водного раствора.

Особенность процесса тушения пожаров подачей пены через водно-солевой слой состоит в том, что скорость разрушения пены от взаимодействия с водной средой достигает максимального значения только в начальный период времени, после чего резко снижается и в дальнейшем остается практически постоянной величиной, поскольку определяется степенью растворения молекул ПАВ в водно-солевом растворе.

Поэтому, время необходимое для насыщения водного слоя поверхностно активными веществами будет определяться по формуле:

где Сг.н - концентрация пенообразователя (или молекул ПАВ) в растворе, при которой образуется устойчивый адсорбционный монослой на границе раздела фаз "вода-нефтепродукт", кг/ м3; ¥р - объем жидкости, в котором растворяется пена, м3; q - расход пены поданной на тушение, кг/с.

Воспользуемся основными соотношениями, описывающими процесс тушения пламени и определим время тушения для случая, когда пена подается через водно-солевой слой. При этом формула, для определения времени тушения примет вид:

где, Трлсч - расчетное время тушения подачей пены

через водно-солевой слой, с; Тт - собственно время тушения с; т - время растворения, характеризующее период насыщения водной среды молекулами ПАВ, с.

Время тушения тт может быть определено в соответствии с известными расчетными соотношениями по формуле:

т

(1)

*

(2)

Трлсч — Тт+ Т

где

4zQB

где, и°т - удельная скорость выгорания жидкости в стационарном режиме до начала тушения, кг-м-2; Ог - удельная скорость нагревания и испарения горючей жидкости, кДж-кг-1; - удельная теплота испарения воды, кДж-кг1; г = 0,5 - 0,3 - коэффициент формы пузырьков пены, который определяется кратностью и дисперсностью пены.

Следовательно, время тушения складывается из двух составляющих: собственно времени тушения и времени растворения пены в объеме жидкостей. Подставив формулы (1) и (3) в выражение (2) получим итоговую формулу для определения времени тушения при подаче пены через водно-солевой слой:

Таким образом, из предложенной модели, описывающей процесс разрушения "обводненных" пен следует, что минимальное время тушения определяется периодом насыщения водного слоя молекулами ПАВ до концентрации адсорбционного заполнения, который в свою очередь зависит от вида пенообразователя, его концентрации, скорости ввода пены и числа пенных насадков.

Итак, проведенный анализ позволил установить взаимосвязь

времени тушения пламени нефтепродукта - Трасч при подаче через слой воды в условиях растворения и термического разрушения, с секундным расходом пены.

Система уравнений, полученных выше позволяет осуществить анализ процесса взаимодействия пены с водным слоем.

Оптимизация параметров системы пожаротушения проводится с использованием линейного программирования прикладными программами для Microsoft Excel 5.0. Таким образом, проведенный анализ позволил установить основные закономерности процесса тушения пламени при подслойной подаче пены через водно - солевой слой

Трасч -

Р fhCP Сг м -Vn

_j_ 4- -L

(5)

q

и предложить механизм, количественный анализ которого дает возможность описывать и прогнозировать параметры подслойной системы пожаротушения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

На основе комплексных экспериментальных и теоретических исследований процесса тушения пожаров в резервуарах с многометровым водно-солевым слоем выявлены особенности этого процесса. На базе проведенных исследований:

1. Впервые показаны основные стадии механизма тушения пожаров горючих жидкостей подслойной подачей пены через многометровый слой воды, включающие: растворение пены в донном водно-солевом растворе; перемешивание нижних слоев воды и нефти с верхними; съём тепла за счет испарения воды, если поверхность нефти нагрелась в процессе пожара до температуры выше 100 °С; изменение внутреннего состава стабилизаторов пены; образование на поверхности нефти изолирующего пенного слоя и самопроизвольно растекающейся водной пленки, препятствующей испарению горючей жидкости.

2. Доказано, что предельная концентрация водно-солевого раствора, при которой пена сохраняет заданные свойства и формирует тушащий пенный слой на поверхности горючего, на два порядка ниже величины критической концентрации мицеллообразования, что делает возможным применение СПТ для защиты резервуаров-сепараторов обводнённой нефти. Величина предельной концентрации определяется видом пенообразователя.

3. Установлена зависимость величины критической интенсивности подачи огнетушащего состава и минимального удельного расхода тушащего средства от таких параметров, как высота водного раствора и его поверхностная активность, жесткость водной среды, предельная концентрация адсорбционного заполнения поверхности водного слоя молекулами ПАВ, природа горючей жидкости и вид пенообразующего состава.

4. Выявлено, что при контактном взаимодействии пены с водной средой происходит изменение её внутреннего

состава. В результате частичной потери углеводородных поверхностно-активных веществ (УПАВ), которые менее устойчивы к растворению, на поверхность горения поступает пена с повышенным содержанием фторированных ПАВ. При этом пена с изменённым составом стабилизаторов обладает повышенной термической устойчивостью к воздействию факела пламени и пониженной растекаемостью по поверхности горючего.

5. Определено, что в процессе подъема пены к поверхности горения вследствие потери поверхностно-активных веществ, снижается эффективность защитного действия водных пленок на поверхности нефтепродуктов. Защитное действие водных пленок сохраняется, если концентрация ПАВ в растворе не ниже определенного значения, которое зависит от вида пенообразователя и его рабочей концентрации.

6. По оригинальной методике определена растворимость пены в водной среде, которая позволила количественно оценить качество пенообразователя в условиях подачи пены через водно-солевой слой. Определено, что по характеру влияния водного раствора на коллоидно-химические и огнетушащие свойства пен пенообразователи были разделены на две группы. К первой были отнесены составы, которые заметно снижали эффективность при пропускании их пен через водно-солевой слой, а ко второй -пенообразователи, сохранившие заданные свойства. Полученные результаты показали, что пенообразователи "Универсальный-П" и "Подслойный" вошли в первую группу, а "Гидрал-3", "ФС-203А" и "Фторпротеиновый"- во вторую.

7. Определены оптимальные концентрации пенообразователей при подаче через водно-солевой раствор, величина которой зависит от типа пенообразователя и жёсткости водной среды.

8. На основе анализа пенообразующей способности различных пенообразователей установлено, что кратность и устойчивость пены зависят от жёсткости водного раствора из которого они приготовлены.

9. Предложена методика, которая позволяет количест-

венно определить время тушения и минимальный удельный расход огнетушащего средства, критическую и оптимальную интенсивность подачи пены.

Определена взаимосвязь между критической и оптимальной интенсивностью подачи пены при тушении пламени нефти через водный отстой. Данные, полученные с использованием расчетных соотношений удовлетворительно совпадают с экспериментальными, как стендовыми, так и полигонными (рис.8).

10. Впервые получены результаты по тушению натурных резервуаров, которые отражали реальное расположение систем подслойного пожаротушения и технологического оборудования, приспособленного для этих целей .

11. Разработан комплекс оригинальных экспериментальных методов исследования, благодаря которому удалось изменять режим ввода пены, высоту водно-солевого слоя и его жесткость.

12. Выявлено, что необходимым условием обеспечения эффективного тушения пожаров в резервуарах является применение надежной пеногенерирующей аппаратуры способной получать стабильную пену кратностью К = 4-6.

13. На основе результатов исследований разработаны "Рекомендации" по проектированию системы подслойного тушения пожара для резервуарного парка, которые внедрены на объединении АО "ТАТНЕФТЬ".

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Бяков A.B., Шароварников А.Ф., Углов A.B. Исследование тушения пламени нефти и нефтепродуктов в резервуарах при подаче пены через водно-солевой слой // Информатизация систем безопасности: Материалы пятой международной конференции. Секция: Системы и средства аварийной и пожарной безопасности. - М.: МИПБ МВД РФ, 1996.-с.191-193.

2. Бяков A.B., Шароварников А.Ф., Углов A.B. Тушение пожаров нефтепродуктов в резервуарах "подслойным" способом через водно-солевой слой // Неф-

Нефтепереработка и нефтехимия: - М.: ЦНИИТЭ-нефтехим, 1996. - № 4. - С. 38-41.

3. Бяков A.B., Шароварников А.Ф., Углов A.B. Тушение пламени нефтепродуктов в резервуарах с водно-солевым слоем // Транспорт и хранение нефтепродуктов: -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1996. - № 8-9. - С. 10-14.

4. Шароварников А.Ф., Каришин A.B., Бяков A.B. Изолирующее действие устойчивых пен на поверхности нефтепродуктов // Научно-технические решения и разработки по предотвращению и ликвидации пожаров: Материалы научно-технической конференции. - М.: ВИПТШ МВД РФ, 1995. -с.176-178.

5. Шароварников А.Ф., Бяков A.B., Монтаев Е.И. Тушение нефтепродуктов низкократной пленкообразующей пеной через водно-солевой слой подслойным способом // Пожарная безопасность-95: Материалы XIII Всероссийской науч ,-практ. конф. Секция: Совершенствование деятельности противопожарных служб. - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1995.-с.105-106.

6. Бяков A.B., Шароварников А.Ф., Углов A.B. Ог-нетушащая способность фторсодержащих пен, подаваемых подслойным способом через водно-солевой раствор // Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах: Материалы научно-практической конференции. - М.: МИПБ МВД РФ, 1996. -с. 157-159.

Соискатель

МИПБ МВД РФ. Тир 100 экз.