КРИТЕРИИ МОДЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ФАКЕЛЬНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГОРЕНИЯ

Цой А.А.¹, Демехин Ф.В.²

¹Аспирант; ²Доктор технических наук, Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

КРИТЕРИИ МОДЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ФАКЕЛЬНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГОРЕНИЯ

Аннотация

В статье рассмотрено влияние факельного углеводородного горения на строительные конструкции и технологические установки. Выделены реактивная, углеводородная и стандартная зоны факельного горения. Приведены результаты испытаний вспучивающихся огнезащитных покрытий на разработанной экспериментальной установке, выведены критерии модели эффективности огнезащитных покрытий: относительная огнезащитная эффективность, критерий факельности. Сделаны выводы о применимости огнезащитных составов в зонах горения.

Ключевые слова: факельное углеводородное горение, огнезащитные покрытия, огнезащитная эффективность.

Tsoy A.A.¹, Demehin F.V.²

¹ Postgraduate student; ² PhD in Engineering, Saint-Petersburg University of State fire service of EMERCOM of Russia

CRITERIA OF MODEL OF FIRE RATING OF FLAME-RETARDANT COATING FOR STEEL STRUCTURES IN THE CONDITIONS OF HYDROCARBON JET FIRE

Abstract

The article considers the influence of hydrocarbon Jet fire on building structures and technological installations. Separate of the zones of the flame: jet fire, hydrocarbon fire and universal fire. The results of testing of foaming flame-retardant coatings on the developed experimental setup , derived model criteria of fire rating of flame-retardant coating: the relative fire rating, the criterion of flare.

Keywords: hydrocarbon Jet fire, flame-retardant coating, fire rating.

Характерным и наиболее опасным физическим явлением, возникающим при реализации пожароопасных ситуаций на объектах нефтегазовой отрасли, является факельное горение. При факельном горении развиваются сильные высокотемпературные газовые потоки с температурой горения до 1500 ^оС и скоростью истечения, которая может быть близка к местной скорости звука (до 340 м/с).  Плотность теплового потока достигает 300 кВт/м², что создает опасность потери механической прочности и деформации в течение первых 5-10 мин омываемых пламенем или находящихся вблизи него конструкций и технологических аппаратов. Особенностью факельного горения горючих жидкостей или газов является, как правило, непрерывное нарастание площади, охваченной горением.

В связи с этим большой интерес вызывает поведение тонкослойных вспучивающихся огнезащитных покрытий в условиях факельного углеводородного горения и их применение на объектах нефтегазовой отрасли.

Рассмотрим влияние факельного горения на технологические установки и строительные конструкции.

В настоящее время накоплен большой объем теоретических и экспериментальных исследований по вопросам факельного горения [1-3]. Опубликованная информация о фактических характеристиках факельных пожаров на объектах нефтегазовой отрасли имеет крайне ограниченный и противоречивый характер. Поэтому в качестве модельного приближения достаточно сложной и спонтанно меняющейся во времени формы пламени примем, что факел имеет вытянутую цилиндрическую форму, расширяющуюся в сторону истечения газа.

Факел пламени, образующийся в случае пожара при разгерметизации технологического оборудования, можно разделить на три зоны (рис.1) с различными температурными и скоростными параметрами газового потока. По мере удаления от отверстия температура и скорость газового потока постепенно уменьшаются.

1. Зона реактивного горения – характеризируется высокой температурой (свыше 1500 ^оС) и скоростью газового потока (до 150 м/с). Под действием высокоскоростного газового потока происходит практически мгновенное разрушение огнезащитного покрытия. Огнестойкость строительных конструкций в данной зоне, как правило, не превышает 3 мин.
2. Зона углеводородного горения – характеризуется высокой температурой (до 1500 ^оС), но более низкой скоростью газового потока (до 70 м/с), по сравнению с зоной реактивного горения. Огнестойкость строительных конструкций в данной зоне не превышает 5-10 мин, разрушение огнезащитных покрытий происходит достаточно быстро, но с сохранением определенного запаса времени для принятия решений по пожаротушению или включению систем автоматического пожаротушения. Данную зону можно характеризовать как зона углеводородного пожара.
3. Зона стандартного горения – характеризуется стандартным температурным режимом (ГОСТ 30247.0-94). Средняя температура пламени не превышает 800 ^оС, скорость газового потока менее 20 м/с. Огнестойкость строительных конструкций в данной зоне может достигать 15-20 мин. Огнезащитная эффективность покрытий соответствует времени испытаний, в условиях стандартного температурного режима.

 

Рис. 1 - Зоны факельного горения

 

Воздействие факела пламени на какую-либо конструкцию или установку уменьшается в сторону истечения газового потока, вследствие чего уменьшается температурное и аэродинамическое воздействие на огнезащитные покрытия.

Проведены испытания тонкослойных вспучивающихся огнезащитных составов на экспериментальной установке с применением газовой горелки, имитирующей  воздействие факельного горения, на различных расстояниях.

Результаты испытаний исследованных образцов огнезащитных покрытий представлены в таблицах 1-4.

Таблица 1 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени газовой горелки 1100 ^оС (l_гп=140 мм)

Наименование состава	Время огнезащитной эффективности
	Образец №1	Образец №2	Образец №3	Образец №4	Образец №5
Стабитерм-217	12	11	13	11	13
Fire Protect	8	8	8	7	6
Фризол-ЭП	6	7	7	6	5
Chartek 1709	33	30	33	29	28
ПЗСМ	16	15	16	14	15

 

Таблица 2 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени газовой горелки 930 ^оС (l_гп=180 мм)

Наименование состава	Время огнезащитной эффективности
	Образец №1	Образец №2	Образец №3	Образец №4	Образец №5
Стабитерм-217	17	18	20	18	19
Fire Protect	13	14	14	13	12
Фризол-ЭП	11	13	13	12	11
Chartek 1709	более 40	более 40	более 40	более 40	более 40
ПЗСМ	22	21	20	20	19

 

Таблица 3 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени газовой горелки 830 ^оС (l_гп=200 мм)

Наименование состава	Время огнезащитной эффективности
	Образец №1	Образец №2	Образец №3	Образец №4	Образец №5
Стабитерм-217	23	25	27	25	26
Fire Protect	22	18	18	20	18
Фризол-ЭП	20	19	17	20	18
Chartek 1709	более 40	более 40	более 40	более 40	более 40
ПЗСМ	31	29	32	29	30

 

Таблица 4 - Время огнезащитной эффективности по результатам проведения испытаний при температуре пламени газовой горелки 730 ^оС (l_гп=240 мм)

Наименование состава	Время огнезащитной эффективности
	Образец №1	Образец №2	Образец №3	Образец №4	Образец №5
Стабитерм-217	32	31	32	31	33
Fire Protect	26	28	26	26	26
Фризол-ЭП	24	25	27	26	25
Chartek 1709	более 40	более 40	более 40	более 40	более 40
ПЗСМ	35	37	37	36	37

 

Проведенные испытания показали, что основная причина разрушения огнезащитных покрытий в условиях факельного углеводородного горения происходит вследствие абляции – уноса высокотемпературным газовым потоком части материала с поверхности покрытия. Под действием газового потока на поверхности вспученного покрытия образуется отверстие, которое с течением времени постепенно расширяется в ширину и в глубину по мере прогорания. В результате этого, происходит воздействие факела пламени непосредственно на поверхность пластины, незащищенной огнезащитным покрытием.

Время эффективности огнезащитных составов, при проведении испытаний на расстоянии 0,14 м, значительно ниже (в 2-4 раза), чем при стандартном режиме испытаний, что связано с более жесткими температурными и аэродинамическими условиями воздействия газовой горелки на образцы (температур испытаний около 1100 ^оС, скорость газового потока около 60 м/с). Исключение составил зарубежный огнезащитный состав Chartek-1709, сертифицированный по зарубежным стандартам на углеводородное горение. Среднее время испытаний огнезащитного состава Chartek-1709 на данном расстоянии составило 30 мин.

По мере удаления образцов от сопла горелки происходит уменьшение абляции покрытий, что связано с уменьшением скорости и температуры газового потока. Уже на расстоянии около 200 мм образование отверстия в огнезащитном покрытии не происходит, в связи с чем наблюдается увеличение времени огнезащитной эффективности испытуемых составов.

Однако говорить о том, что данные огнезащитные средства не рекомендуются к применению на объектах нефтегазовой отрасли, нельзя. Испытуемые огнезащитные составы обладают определенной огнезащитной эффективностью, которой может оказаться достаточной для обеспечения инерционности при срабатывании систем пожаротушения, водяного орошения, защитных водяных завес, а также в отдельных случаях применять для защиты путей эвакуации персонала.

Таким образом, противопожарная защита технологических установок и строительных конструкций (в том числе огнезащитная обработка) должна осуществляться в зависимости от возможности возникновения факельного горения на той или иной технологической установке и приблизительного определения границ зон горения. В этих целях необходимо провести подробный анализ пожарной опасности защищаемого объекта, определить возможные места и вероятность возникновения факельного горения, а также границы зон в зависимости от длины факела.

Определению длины факела посвящено много работ, в которых содержатся предложенные разными авторами расчетные или эмпирические формулы. На основании полученной длины факела строятся зоны факельного горения.

Таким образом, были выделены два критерия модели эффективности огнезащитных покрытий для строительных конструкций и технологических установок объектов нефтегазовой отрасли:

1. Относительная огнезащитная эффективность (К_оэ) – безразмерная величина, характеризующая отношение показателей эффективности огнезащитных составов при испытаниях в условиях стандартного температурного режима (τ_ст) и в условиях факельного углеводородного горения (τ_ф). Выражается коэффициентом, которой принимает различные значения, в зависимости от типа огнезащитного состава:

На примере проведенных испытаний, была рассчитана относительная огнезащитная эффективность испытанных огнезащитных покрытий (таб. 5).

Таблица 5 - Относительная огнезащитная эффективность испытанных огнезащитных составов

Наименование состава	Испытываемое время ОЗЭ, мин	Полученное время ОЗЭ при проведении испытаний, мин	Относительная огнезащитная эффективность
Стабитерм-217	30	12	2,5
Fire Protect	30	7,4	4,1
Фризол-ЭП	30	6,2	4,8
Chartek 1709	30	30,6	1
ПЗСМ	30	15,2	2

 

Сделаны следующие выводы:

Если коэффициент относительной огнезащитной эффективности принимает значение равное или меньше единицы (K_оэ≤1), то применение данного огнезащитного состава на строительных конструкциях и технологических установках нефтеперерабатывающих производств допустимо во всех зонах, включая реактивную зону факельного горения.

Если коэффициент принимает значения от 1 до 2,5 (1<K_оэ≤2,5), то применение данных составов допускается в зонах углеводородного и стандартного горения. Применение данного огнезащитного состава возможно в зоне реактивного горения только при увеличении толщины слоя нанесенного покрытия в 2-2,5 раза от рекомендуемого (по технической документации на покрытие),

При значениях коэффициента более 2,5 (K_оэ>2,5) применение данного состава допустимо только в зонах стандартного горения, либо в зонах реактивного и углеводородного горения для обеспечения инерционности при срабатывании систем пожаротушения, водяного орошения, защитных водяных завес, а также в отдельных случаях для защиты путей эвакуации персонала. При увеличении толщины слоя нанесенного покрытия в 2-2,5 раза от рекомендуемого (по технической документации на покрытия) данные составы, возможно, применять в зоне углеводородного горения.

2. Критерий факельности (K_ф) – коэффициент, характеризующий воздействие высокотемпературного газового потока в зависимости от удаленности от отверстия истечения газа.

Расчет длин разнообразных факелов позволил выделить следующие средние расстояния зон горения факела пламени от отверстия истечения (таб. 6).

Таблица 6 – Длины зон факельного горения

Длина факела пламени	Зона реактивного горения	Зона углеводородного горения	Зона стандартного горения
от 10 до 15 м	до 5 м	5-12 м	от 12 м
от 15 до 30 м	до 10 м	10-25 м	от 25 м
свыше 30 м	до 15 м	15-35 м	от 35 м

 

Литература

1. Вулис Л.А., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л.: Энергия, 1978.
2. Тимофеева С.С., Дроздова Т.И., Плотникова Г.В., Гольчевский В.Ф. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 178 с.
3. Андрюшкин А.Ю. Формирование дисперсных систем сверхзвуковым газодинамическим распылением: монография / А. Ю. Андрюшкин. СПб.: БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2012. 400 с. - ISBN 978-5-85546-673-7.

References

1. Vulis L.A., Jarin L.P. Ajerodinamika fakela. L.: Jenergija, 1978.
2. Timofeeva S.S., Drozdova T.I., Plotnikova G.V., Gol'chevskij V.F. Fiziko-himicheskie osnovy razvitija i tushenija pozharov: ucheb. posobie. Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2013. 178 s.
3. Andrjushkin A.Ju. Formirovanie dispersnyh sistem sverhzvukovym gazodinamicheskim raspyleniem: monografija / A. Ju. Andrjushkin. SPb.: BGTU «VOENMEH», 2012. 400 s. - ISBN 978-5-85546-673-7.