Совершенствование методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей для металлических конструкцийнефтегазового комплекса

УДК 614.84

На правах рукописи

АКУЛОВ АРТЕМ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОГНЕЗАЩИТЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОСТОЙКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2012

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»).

Научный руководитель	– Иванов Вадим Андреевич, доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:	– Нугаев Раис Янфурович, доктор технических наук, профессор, ГУП «ИПТЭР», главный научный сотрудник отдела «Гидродинамическое моделирование технологических процессов в добыче нефти» – Кустышев Аександр Васильевич, доктор технических наук, профессор, ООО «ТюменНИИгипрогаз» ОАО «Газпром», заведующий отделом эксплуатации и ремонта скважин
Ведущая организация	– ОАО «Институт «Нефтегазпроект»

Защита состоится 16 августа 2012 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 16 июля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Фактический предел огнестойкости стальных конструкций, объектов нефтегазовой отрасли при пожаре в зависимости от толщины элементов сечения металлической конструкции (МК) и величины действующих нагрузок составляет 15 минут при требуемой огнестойкости до 360 минут. Следовательно, область применения металлических конструкций ограничена по огнестойкости, так как не выполняется условие безопасности, т.е. фактический предел огнестойкости Поф должен быть больше, либо равен пределу требуемой огнестойкости: Поф Пот. Это условие является основным для обоснования необходимости огнезащиты металлических конструкций: если Поф Пот, огнезащита не требуется, а при Поф

Одним из эффективных методов повышения огнестойкости МК объектов НГК является нанесение на поверхность конструктивной огнезащиты. В связи с этим совершенствование методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей с высокими физико-механическими свойствами и огнестойкостью является своевременной и актуальной задачей.

Цель работы – обеспечение безопасной эксплуатации оборудования нефтегазового комплекса совершенствованием методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей для металлических конструкций.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих методов и средств огнезащиты металлоконструкций (вспучивающихся и других огнезащитных покрытий) и выбрать наиболее перспективное направление для разработки новых методов;
2. Разработать огнезащитные составы (ОС) для металлоконструкций с возможностью нанесения и эксплуатации их при положительных и отрицательных температурах окружающего воздуха;
3. Разработать методику подбора приведенной толщины металлоконструкций с огнезащитной толщиной покрытия с учетом требуемой огнестойкости;
4. Разработать методику расчета для индивидуального проектирования огнезащитного покрытия.

Методы решения поставленных задач

Теоретические исследования по разработке средств и способов огнезащиты выполнены с использованием современных подходов теории огнестойкости и огнезащиты строительных конструкций. При проведении исследований использовались лабораторные установки по определению огнестойкости конструкций с огнезащитой, современное измерительное оборудование, стандартные методики.

Научная новизна результатов работы

1. Разработан состав с высокой огнестойкостью для защиты металлоконструкций на основе магнезиального цемента, стойкого к атмосферному и влажностному воздействию и обладающего высокими физико-механическими свойствами.
2. Разработана методика подбора приведенной толщины металла конструкций разнотолщинным покрытием с учетом требуемой огнестойкости.
3. Разработана методика индивидуального проектирования составов для огнезащиты металлических конструкций объектов нефтегазовой отрасли.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа существующих методов и способов огнезащиты металлических конструкций;
2. Результаты экспериментальных исследований по определению физико-механических и огнезащитных свойств разработанных огнезащитных составов;
3. Методика подбора сечения приведенной толщины металла конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости конструкций объектов НГК;
4. Методика индивидуального проектирования разработанных составов для металлических конструкций нефтегазовой отрасли.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Разработанные методики применяются при чтении лекций по применению огнезащитных веществ и материалов в Уральском институте Государственной противопожарной службы МЧС России, а также при разработке раздела проектно-сметной документации «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» различных объектов защиты. Практическая ценность работы подтверждается актами о внедрении.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях:

- 65-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2008 г.);

- учебно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений» (г. Екатеринбург, 2008 г.);

- межвузовской научно-практической конференции «Совершенствование противопожарной защиты объектов с повышенной пожарной опасностью», посвященной 80-летию Уральского института ГПС МЧС России (г. Екатеринбург, 2008 г.);

- 66-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2009 г.);

- межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений»
(г. Екатеринбург, 2009 г.);

- Международной научно-практической конференции «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» (г. Тюмень, 2009 г.);

- учебном семинаре «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий» (г. Екатеринбург, 2009 г.);

- 67-ой Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (г. Самара, 2010 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», посвященной 10-летию со дня основания Института транспорта Тюменского государственного нефтегазового университета (г. Тюмень, 2009 г.);

- Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений»
(г. Екатеринбург, 2010 г.);

- IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации», посвященной 20-летию образования МЧС России (г. Екатеринбург, 2010 г.);

- Межвузовской научно-практической конференции курсантов, студентов и молодых ученых Уральского института ГПС МЧС России, посвященной 20-летию образования МЧС России (г. Екатеринбург, 2010 г.);

- круглом столе «Тепло-, звуко- и огнезащита всех видов строительных конструкций. Опыт и перспективы» при Министерстве строительства и архитектуры Свердловской области (г. Екатеринбург, 2010 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 94 наименования. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 30 таблиц.

Личный вклад автора:

• постановка и решение задач данного исследования;
• разработка новых огнезащитных составов;
• проведение исследований физических свойств и огнестойкости разработанных составов;
• разработка:
• • методики подбора приведенной толщины металла конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости,
  • методики проектирования разработанных составов для металлических конструкций НГК;
• участие в технической реализации и внедрении составов и методик.

КРАТКОЕ содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе приведен анализ существующих способов огнезащиты металлоконструкций; времени реагирования пожарных подразделений в нефтегазовой отрасли; огнезащитных составов; условий, способствующих развитию пожара до крупного.

Рассмотрены основные виды и область применения методов и средств огнезащиты стальных конструкций, проведен анализ существующих вспучивающихся и невспучивающихся составов для металлических конструкций от воздействия высоких температур при пожаре. Рассмотрены отечественные и зарубежные разработки огнезащитных покрытий. Проведенный анализ существующих составов показал, что наряду с большим количеством положительных сторон они обладают недостатками (низкие огнестойкость и адгезионные свойства, невозможность нанесения и применения в условиях отрицательных температур и повышенной влажности, сложный контроль за состоянием нанесенных покрытий, минимальный гарантийный срок службы и т.д.). Существующие недостатки этих покрытий определяют недопустимость их применения для огнезащиты металлических конструкций на объектах НГК. К таким конструкциям предъявляются повышенные требования по огнестойкости. Эти требования обусловлены следующими факторами: большое количество легковоспламеняющихся жидкостей; высокие температуры пожара; работа конструкций на открытом воздухе и в условиях действующих статических и вибрационных нагрузок; продолжительное время до прибытия пожарных подразделений и т.д.

Из перечисленных факторов вытекают требования к огнезащитным материалам стальных конструкций: возможность нанесения и эксплуатации в условиях низких температур и повышенной влажности, т.е. круглогодично; стопроцентная адгезия; способность длительно выдерживать вибрационные нагрузки; стойкость к повышенным температурам при горении легковоспламеняющихся жидкостей; обеспечение повышенного предела огнестойкости. По этим причинам наиболее актуальным и перспективным является разработка методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей, обладающих вышеперечисленными свойствами. Проведенный анализ термостойких заполнителей, минеральных вяжущих и дополнительных добавок показал возможность разработки новых огнезащитных составов на их основе.

Во второй главе производились: подбор оптимального количества и соотношения компонентов; исследования физико-механических свойств (таблицы 1, 2) и огнестойкости разработанных покрытий (таблица 3). Для проведения испытаний и обработки результатов по методу наименьших квадратов (МНК) компоненты составов были объедены в группы. Компоненты первого состава: 1 (первый фактор ) – портландцемент;
2 (второй фактор ) – минеральные термостойкие добавки (вспученный перлит, вспученный вермикулит, микросфера алюмосиликатная, асбест);
3 (третий фактор ) – добавки (водоудерживающая, сухой латекс, пластификатор). Для второго состава: группа 1 (первый фактор ) – магнезиальный цемент; группа 2 (второй фактор ) – вспученный вермикулит; группа 3 (третий фактор ) – вспученный перлит. Для описания изучаемых свойств выбранный вариант (МНК) по аппроксимации данных на основе трехфакторной модели второго порядка гарантирует по крайней мере 10 %-ную точность.

Исследования огнестойкости разработанных покрытий проводились по двум направлениям: определение толщины защитного слоя в зависимости от огнестойкости; определение огнестойкости в зависимости от приведенной толщины металла и толщины покрытия. Первое направление включало исследования всех композиций каждого состава (таблицы 3, 4) с различными значениями толщины покрытия. В качестве образцов для испытаний использовались стальные пластины размерами
600 x 600 x 5 мм с покрытием толщиной 5…30 мм. Температура воздействия – 950 °С. Нагрев образцов осуществлялся со стороны покрытия газовыми горелками. Исследования проводились до наступления предельного состояния образца – 500 °С на необогреваемой поверхности образца. Результаты испытаний приведены в таблицах 3, 4. Результатом разработки второго направления стали методика подбора приведенной толщины металла конструкций в зависимости от требуемой огнестойкости конструкций и методика проектирования огнезащитных составов для металлических конструкций объектов НГК.

При исследовании композиций № 7 – 9 ОС № 1 и композиций № 4 – 6 ОС № 2 было выявлено оптимальное сочетание физико-механических свойств и огнестойкости. Методика заключается в следующем:

1. Определение вида необходимого сечения по условиям эксплуатации (двутавр, труба и т.д.);

2. Определение требуемой огнестойкости (нормативные документы, условия эксплуатации);

3. Расчет приведенной толщины металла принятого сечения конструкции по формуле

, (1)

где А – площадь принятого поперечного сечения, мм;

U – обогреваемая часть периметра, мм;

4. Определение условий эксплуатации конструкции (для помещений – состав № 1; для атмосферных условий – состав № 2);

5. Определение необходимой толщины покрытия при требуемой приведенной толщине металла (графики на рисунках 1, 2).

Рисунок 1 – Графическая зависимость огнестойкости от приведенной толщины металла и толщины покрытия составом № 1

Рисунок 2 – Графическая зависимость огнестойкости от приведенной толщины металла и толщины покрытия составом № 2

Таблица 1 Подбор термостойких минеральных заполнителей и определение физико-механических свойств состава № 1