Совершенствование метода защиты нефтегазового оборудования при пожарах

УДК 614.84

На правах рукописи

Бараковских Сергей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ЗАЩИТЫ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПОЖАРАХ

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:	– Идрисов Роберт Хабибович, доктор технических наук, профессор, ГУП «ИПТЭР», заведующий отделом «Безопасность эксплуатации трубопроводных систем» – Смирнов Алексей Сергеевич, кандидат технических наук, Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС России, заместитель начальника по информационным технологиям и информационной безопасности
Ведущая организация	– ООО «ТюменНИИгипрогаз» ОАО «Газпром»

Защита состоится 16 августа 2012 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») 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

Нефтегазовый комплекс (НГК) является важнейшей структурной составляющей экономики России, поэтому проблемам обеспечения безопасности объектов НГК уделяется особое внимание.

Анализ статистических данных показал, что аварийные ситуации на этих объектах в большинстве случаев сопровождаются пожарами, а средний убыток от одного пожара в 7 раз больше среднего убытка, приходящегося на один пожар по всей стране. При пожарах горение углеводородов сопровождается выделением большого количества теплоты, значительная часть которой посредством излучения передается к объектам, окружающим очаг пожара. Попадающее на смежные объекты излучение превышает величину критической плотности излучения материалов или веществ с заданными свойствами, и происходит возникновение новых очагов возгораний. Поэтому ограничение распространения пожара является одним из основных аспектов противопожарной защиты, который, в свою очередь, реализуется за счет применения ряда конструктивно планировочных решений, а также различных конструкций и устройств, поглощающих или отражающих лучистую энергию. Эффективность применения таких конструкций и устройств обосновывается результатами экспериментально-поисковых и теоретических исследований, а также использованием достоверных методов расчета, учитывающих теплофизические и конструктивные особенности в условиях пожара.

В связи с этим разработка метода защиты технологического оборудования и способов, ограничивающих распространение пожара, а также оценка времени их защитного действия являются актуальным научным исследованием.

Цель работы – повышение безопасности нефтегазового оборудования при пожарах путем разработки теоретически обоснованного метода защиты на основе устройств с использованием воздушно-механической пены.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

• анализ причин пожаров и методов противопожарной защиты нефтегазовых объектов, соответствующих им;
• оценка и подбор материалов для создания устройств огнезащиты нефтегазового оборудования и пожарных подразделений;
• разработка устройства огнезащиты нефтегазового оборудования;
• создание методики расчета характерных размеров устройств, гарантирующих обеспечение заданного времени защиты нефтегазового оборудования при пожарах.

Методы решения поставленных задач

При разработке и решении поставленных задач применялись общенаучные методы исследования: группировка статистических данных и системный анализ причин пожаров, методов и устройств противопожарной защиты на объектах нефтегазовой отрасли; методы экспериментально-поисковых исследований тепломассообмена в огнезащитных конструкциях; численный подход к решению уравнения теплопроводности, основанный на методе конечных разностей, позволяющий определить температурное поле составной среды, являющейся основой предлагаемых огнезащитных устройств.

Научная новизна результатов работы

• Разработан и обоснован метод защиты нефтегазового оборудования при пожарах с использованием результатов численных расчетов на основе математической модели, базирующейся на уравнении теплопроводности составной среды, что позволило определить температурное поле и величины тепловых потоков на стенках ограждающих устройств, заполненных воздушно-механической пеной.
• Для описания характеристик составной среды установлены аналитические зависимости плотности, теплоемкости и теплопроводности воздушно-механической пены от числа ее кратности.
• Разработана программа расчета температурного поля в воздушно-пенном объеме огнезащитных устройств, позволяющая найти время их защитного действия, в зависимости от конструктивных параметров и кратности пены.
• Разработана методика, позволяющая определить характеристики огнезащитных устройств, для заданного времени защиты технологического оборудования.

На защиту выносятся:

• результаты проведенных экспериментальных исследований по определению температуры внешней стенки комплексных устройств, предназначенных для поглощения тепловой радиации от огнеисточника;
• результаты численных расчетов по определению времени защитного действия разработанных устройств, проведенных на основе математической модели, описывающей процессы распространения тепла в составной среде;
• аналитические зависимости для описания теплофизических характеристик пенной среды, в частности ее коэффициента теплопроводности.

Практическая ценность и реализация результатов работы

• Определены теплофизические и физико-технические характеристики конструкций, предназначенных для поглощения теплового излучения при пожарах, которые позволяют защищать технологическое оборудование от тепловой радиации, тем самым предотвращая появление новых очагов возгораний.
• Разработанные методики расчета внедрены и используются в ГУ МЧС России по Тюменской области при разработке мероприятий, направленных на предотвращение распространения и тушение пожаров.
• Результаты теоретического исследования используются в образовательной практике преподавания специальных дисциплин Уральского института ГПС МЧС России и Уральского федерального университета.

Апробация работы

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

• научно-практической конференции «Безопасность мегаполиса: промышленно-экологический аспект» в рамках V Международного научно-практического форума «Грани безопасности-2008» (г. Екатеринбург, 2008 г.);
• Второй международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации» (г. Екатеринбург, 2008 г.);
• II Всероссийской научно-технической конференции «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (г. Екатеринбург, 2008 г.);
• Международной научно-практической конференции «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» (г. Тюмень, 2009 г.);
• учебно-практической конференции «Передовые технологии и инновации в области предупреждения и тушения пожаров и проведения аварийно-спасательных работ» (г. Екатеринбург, 2010 г.);
• Региональной научно-практической конференции курсантов слушателей и студентов «Актуальные вопросы противопожарного водоснабжения» (г. Иваново, 2011 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 118 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 27 таблиц.

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 первом разделе представлен анализ аварийности и причин пожаров на объектах нефтегазовой отрасли, а также методов, технологий и устройств для их предупреждения и тушения. По статистике, на объектах хранения нефтепродуктов наибольшее число пожаров происходит в резервуарах с бензином – 56,7 % от общего количества. Также установлено, что 43 % пожаров происходит в резервуарах со стационарными крышами, 32 % – в резервуарах с плавающими крышами, 25 % – в резервуарах с понтоном. Анализ пожаров в резервуарах, оборудованных автоматическими установками пожаротушения, показал, что 40…50 % этих установок выходят из строя в результате взрыва или действия пламени в резервуаре и обваловании. Наиболее часто пожары возникают в весенне-летний период – 80 %, и 20 % пожаров возникает в осенне-зимний период.

Среди аварий, произошедших на объектах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, преобладают аварии, связанные с пожарами и взрывами, доля которых составляет 89 % от общего числа. Анализ произошедших аварий показал, что основными факторами возникновения и развития аварий являются неудовлетворительное состояние оборудования, зданий и сооружений – 52,6 %, а также несовершенство (нарушение) технологий и конструктивное несовершенство технических устройств – 47,4 %.

Наибольшее число аварий на объектах нефтегазодобычи представлено открытыми фонтанами и выбросами на нефтяных и газовых скважинах, пожарами и взрывами на сооружениях по подготовке нефти и газа, падением буровых вышек и разрушением частей, в основном агрегатов для подземного ремонта скважин.

Анализ способов, методов, устройств и технологий противопожарной защиты показал, что в условиях пожара наиболее эффективными являются способы, препятствующие распространению пожара и обеспечивающие сопротивление возгораемости. Исследованию способов и устройств, препятствующих распространению пожара, посвящено значительное количество экспериментальных и теоретических работ, направленных на уменьшение величины теплового потока за счет твердых материалов и тонкораспыленной воды (Усманов М.Х., Брушлинский Н.Н., Аблязис Р.А., Касымов Ю.У., Копылов Н.П., Серебренников Е.А., Баратов А.Н., Крутолапов А.С., Заикин С.В. и др.). Однако при горении углеводородов основным средством тушения является воздушно-механическая пена, поэтому в работе обоснованы принципы работы устройств, предназначенных для ослабления теплового излучения с применением воздушно-механической пены. Исходя из вышеизложенного, были проанализированы материалы, которые могут использоваться для создания устройств, ограничивающих распространение пожара. Дан обзор физико-химических параметров, определяющих огнетушащую эффективность воздушно-механической пены, включая такие ее свойства, как изолирующая способность, устойчивость, вязкость, предельное сдвиговое напряжение, кратность, самопроизвольное растекание и т.д. Эти свойства обеспечиваются путем выбора состава пенообразующего раствора и способа получения пены. Согласно ГОСТ 50588-93, в зависимости от применения пенообразователи делятся на две группы: общего назначения, которые используются для получения пены и растворов смачивателей при тушении пожаров нефти, нефтепродуктов и твердых горючих материалов; целевого назначения, которые используются для тушения пожаров отдельных видов горючих жидкостей или применяются в особых условиях. Наиболее общим признаком классификации пенообразователей является химическая природа основы пенообразователя. Исходя из химической природы поверхностно-активного вещества (ПАВ) стабилизатора пены, пенообразователи подразделяются на: протеиновые, в которых стабилизатором пены является продукт гидролизации природного белка; фторпротеиновые, которые готовят на основе протеиновых с добавлением к ним фторсодержащих ПАВ (ФПАВ); фторсинтетические пенообразователи на основе ФПАВ, не содержащие белковые соединения; синтетические на основе смесей углеводородных ПАВ (УПАВ). Из анализа работ Шароварникова А.Ф. и Шароварникова С.А. следует, что приведенные классификации являются в значительной мере условными, так как выделение какого-то одного аспекта из системы (концентрат – раствор пенообразователя – пена – горючее – тушение) не дает однозначной информации о пенообразователе. Поэтому при характеристике пенообразователей часто пользуются признаками различных классификаций.

В разделе приведена характеристика металлических сеток и стекломагниевого листа (СМЛ). Установлено, что стекломагниевый лист является огнеупорным материалом. Лист класса «Стандарт» относится к группе горючести Г1, лист класса «Премиум» относится к категории НГ, при толщине листа 6 мм удерживает огонь до 2 часов, выдерживает нагрев до 1200 °С.

Во втором разделе проанализированы экспериментально-поисковые работы по созданию устройств, ограничивающих распространение пожара. В ходе выполнения экспериментов были разработаны два устройства, предназначенные для поглощения теплового излучения. Данные устройства выполнены в виде двух параллельных плоскостей, между которыми в качестве охлаждающего агента подается воздушно-механическая пена. Параллельные плоскости первого устройства выполнены из металлических сеток, второго – из перфорированного стекломагниевого листа.

В ходе научного поиска исследовано препятствие тепловым потокам металлическими сетками с разными размерами ячеек, расположенными в виде двух параллельных плоскостей на фиксированном расстоянии. Для проведения дальнейшей экспериментальной работы по созданию устройств для ослабления теплового излучения в виде двух параллельных плоскостей, пространство которых заполнено воздушно-механической пеной, были выбраны синтетические углеводородные пенообразователи общего назначения, стекломагниевый лист класса «Премиум», металлические сетки с размерами ячеек 1,100; 0,900; 0,440; 0,100; 0,094 мм. На следующем этапе работы был проведен подбор оптимального размера ячейки металлической сетки, при котором пена не будет быстро оседать и выходить из сетчатого объема. В результате серии проведенных экспериментов (40 повторений) был сделан вывод о целесообразности использования сеток с размером ячейки 0,094 мм. Затем была определена устойчивость воздушно-механической пены в сетчатом объеме в зависимости от ее кратности, при этом фиксировалось время заполнения и время устойчивости пены. Кратность пены (K) определяли по стандартной методике ГОСТ Р 50588-93, из соотношения объема пены с объемом жидкости в пене. Связь между кратностью пены и ее удельным весом (Н/м3) устанавливали из соотношения:

, (1)

где – удельный вес газа (воздуха); – удельный вес жидкости.

На основании результатов проведенного эксперимента был сделан вывод о том, что при увеличении кратности пены время устойчивости увеличивается, так как ее удельный вес уменьшается, однако при одной и той же кратности стойкость пены увеличивается с увеличением степени дисперсности пены, так как при уменьшении размеров пузырьков соответственно уменьшаются межпузырьковые каналы, по которым происходит стекание жидкости. Результаты исследования влияния добавок с целью повышения устойчивости пены показали, что при их применении важно так подобрать концентрацию, чтобы обеспечить их совместную адсорбцию в необходимых количествах и взаимодействие, благодаря которому эта добавка будет удерживаться в подслое, способствуя структурированию на большую глубину и сохранению массы жидкости в пленке.

Логика исследования привела к определению высоты конструкции, заполненной воздушно-механической пеной. Как показали испытания, максимальное время устойчивости пены в такой конструкции достигается при высоте столба пены 2100…2200 мм. Если высота защищаемого технологического оборудования выше 2000 мм, то конструкции для ослабления теплового излучения можно выполнить в виде этажерок, то есть через каждые 2000 мм по высоте конструкции должны быть устроены пеноудерживающие полки (диафрагмы), при этом воздушно-механическая пена подется в каждый отсек (рисунок 1).

1 – пеноудерживающая полка ( диафрагма); 2, 3 – пеногенератор

Рисунок 1 – Конструкция для ослабления теплового излучения

При проведении огневых испытаний, направленных на определение величины теплового потока за конструкцией и ее временной огнестойкости, исследовали устойчивость пены средней и высокой кратности в сетчатой конструкции. Для определения времени устойчивости при воздействии температуры учитывалось разрушение 50 % объема пены. Анализ проведенных испытаний показал, что при воздействии температуры время устойчивости пены средней кратности выше по отношению к пене высокой кратности. Также очевидно, что при воздействии температуры в 800 °С время устойчивости пены снижается на 30…35 % независимо от кратности.