COMPREHENSIVE METHODOLOGY FOR THE OPERATIONAL ASSESSMENT OF THE THERMAL EFFECTS OF SPILLS OF LIQUID COMBUSTIBLE SUBSTANCES

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.013

КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЖАРОВ ПРОЛИВОВ ЖИДКИХ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ

Научная статья

Медведева Л.В.^1,*, Романов Н.Н.², Симонова М.А.³

¹ORCID: 0000-0001-8891-0620;

² ORCID: 0000-0001-8254-9424;

³ORCID: 0000-0003-2716-0349;

^{1, 2} Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы, г.Санкт-Петербург, Россия;

³Высшая школа техносферной безопасности Инженерно-строительного института Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Россия

^* Корреспондирующий автор (luvlmed[at]mail.ru)

Аннотация

Представлена автоматизированная методика оперативной оценки последствий при воздействии теплового излучения пожаров пролива жидких горючих веществ. Численная реализация методики осуществляется в программном комплексе, который работает в среде MicrosoftOfficeExcel с применением VisualBasicforApplications, обеспечивает автоматизированный ввод справочной информации и оперативное редактирование исходных данных. Практическое использование программного комплекса не требует специальной подготовки оператора, что позволяет ему оперативно оценить комплекс параметров: время достижения критической температуры рабочей арматуры несущей конструкции; время потери теплоизолирующей способности железобетонной и бетонных конструкций; минимальные безопасные расстояния от очага пожара до объекта облучения. Численная оценка возможных последствий воздействий опасного фактора пожара на различные объекты облучения может быть произведена при одном и том же варианте чрезвычайной ситуации.

Ключевые слова: интенсивность теплового излучения, критическая температура, критическая плотность теплового потока, ограждающие конструкции, безопасные расстояния, пожар пролива жидкости, резервуар.

COMPREHENSIVE METHODOLOGY FOR THE OPERATIONAL ASSESSMENT OF THE THERMAL EFFECTS OF SPILLS OF LIQUID COMBUSTIBLE SUBSTANCES

Research article

Medvedeva L.V.^1,*, Romanov N.N.², Simonova M.A.³

¹ ORCID: 0000-0001-8891-0620;

² ORCID: 0000-0001-8254-9424;

³ ORCID: 0000-0003-2716-0349;

^{1, 2} Saint-Petersburg University of the State Fire Service of the EMERCOM of Russia, Saint Petersburg, Russia;

³ Higher School of Technosphere Safety of the Institute of Civil Engineering of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Russia

^* Corresponding author (luvlmed[at]mail.ru)

Abstract

The current study presents an automated method of operational assessment of the consequences of exposure to thermal radiation of fires caused by the spill of liquid combustible substances. The numerical implementation of the methodology is carried out in a software package that works in the Microsoft Office Excel environment using Visual Basic for Applications, provides automated input of reference information and operational editing of source data. The practical use of the software package does not require special training of the operator, which allows for quickly assessing a set of the following parameters: the time to reach the critical temperature of the working armature of the supporting structure; the time of loss of thermal insulation ability of reinforced concrete and concrete structures; minimum safe distances from the fire source to the irradiation object. A numerical assessment of the possible consequences of the effects of a dangerous fire factor on various irradiation objects can be made in the case of the same variant of an emergency situation.

Keywords: heat radiation intensity, critical temperature, critical heat flux density, enclosing structures, safe distances, liquid spill fire, reservoir.

Введение

Хранение на предприятиях нефтегазового комплекса больших объемов разнообразных горючих нефтепродуктов, а также их транспортировка являются потенциально опасными процессами, которые могут стать причинами возникновения аварийных ситуаций.

Одним из наиболее опасных видов чрезвычайной ситуации является пожар пролива нефтепродуктов, возникающих при полном разрушении или разгерметизации резервуара на нефтебазах и автозаправочных комплексах, авариях на железнодорожных станциях и при автомобильных транспортировках нефтепродуктов.

Для предотвращения последствий чрезвычайных ситуаций необходимо предусматривать соответствующие меры по обеспечению пожарной безопасности в зонах пожаров проливов различных жидких горючих веществ. Успешное выполнение задач обеспечения пожарной безопасности в значительной степени зависит от результатов оперативной и достоверной оценки вероятности поражения технологического оборудования, зданий и людей в результате теплового воздействия пожара проливов жидких горючих веществ.

В настоящее время нормативно-методическая база содержит необходимые требования по обеспечению безопасности [1], [2], [3], [4], но нормативные методики являются трудоемкими расчетами, что существенно затрудняет их оперативное практическое применение.

Таким образом, в современных условиях оперативная оценка последствий теплового воздействия пожаров пролива горючих жидкостей, а, следовательно, разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий и соответствующих тактических приемов по ликвидации чрезвычайной ситуации становится невозможной без численного моделирования пожароопасных ситуаций [5].

С позиций выше изложенного разработка адаптивной и автоматизированной методики оценки теплового воздействия пожаров проливов жидких горючих веществ, становится актуальной научно-практической задачей, для решения которой разработан программный комплекс, позволяющий оперативно оценить:

• время достижения критической температуры рабочей арматуры несущей конструкции;
• время потери теплоизолирующей способности железобетонной и бетонных конструкций;
• минимальные безопасные расстояния от очага пожара до объекта облучения.

Методы и принципы исследования

Объектами исследования являются ограждающие бетонные и железобетонные стены зданий различного назначения.

В качестве основного опасного фактора пожара пролива горючих жидкостей рассматривается интенсивность теплового излучения.

Методами исследования являются: метод конечных разностей; методика определения интенсивности теплового излучения пожара пролива горючих жидкостей.

Согласно [6], [7] потеря теплоизолирующей способности ограждающих конструкций зданий, происходит при повышении температуры на необогреваемой поверхности в среднем более чем на 160 ⁰С или в любой точке этой поверхности на 220 ⁰С по сравнению с первоначальной.

Потеря несущей способности стены, оценивается по прогреву защитных слоев бетона и рабочей арматуры до достижения критических температур t_кр, при которых происходит снижение прочностных свойств материала до такой степени, что конструкция становится неспособной выдерживать приложенную к ней внешнюю нагрузку.

Оценка воздействия теплового излучения пожара на огнестойкость наружных железобетонных стен зданий, возможна по результатам расчета температурного прогрева ограждений при известных толщинах защитного слоя бетона, вида бетона, а также типа арматуры.

Одной из наиболее эффективных мер обеспечения пожарной безопасности различных защищаемых технических объектов, является их размещение на заранее определенные безопасные расстояния от технологического оборудования с горючими веществами.

Для расчета безопасного расстояния при пожаре используется метод, основанный на сравнении расчетной интенсивности лучистого теплового потока от источника излучения q с минимально допустимым, регламентированным нормативными документами по пожарной безопасности для облучаемого объекта критическим значением q_кр, т.е. минимальным значением поверхностной плотности теплового потока, при котором возникает устойчивое пламенное горение.

Условие пожарной безопасности считается выполненным, если полученная в результате расчета интенсивность излучения q меньше критического значения для данного объекта q_к,.

(1)

В настоящее время для определения интенсивности теплового излучения при пожаре пролива жидких горючих веществ используется методика, соответствующая требованиям технического нормативного правового акта и отражающая порядок расчёта для различных случаев взаимного расположения излучающей и облучаемой поверхностей [8], согласно которой искомая величина q (Вт/м²) предлагается определять по формуле:

(2)

где Ef — среднеповерхностная интенсивность теплового излучения, Вт/м²;

Fq- угловой коэффициент облученности; - коэффициент пропускания атмосферы.

Исходными данными для вычисления интенсивности излучения по формуле (2) в указанной методике является объем и свойства разлитой жидкости, плотность окружающего воздуха и скорость ветра.

При решении данного типа задач в расчете интенсивности излучения q значение cреднеповерхностной интенсивности теплового излучения  принимается из справочной литературы [8].

Алгоритм решения задачи расчета безопасного расстояния объекта от центра пролива представлен на рисунке 1.

Рис.1 – Алгоритм оценки безопасного расстояния объекта от центра пролива

При расчете прогрева ограждающих конструкций для определения потери теплоизолирующей или несущей способности значение cреднеповерхностной интенсивности теплового излучения определяется по формуле:

Для оценки воздействия интенсивного теплового излучения пожара на огнестойкость ограждающих конструкций зданий или сооружений, расчет температурного прогрева конструкции осуществляется с помощью апробированной расчетной схемы [9] основанной на совместном решении дифференциального уравнения теплопроводности для плоской стенки (4) и соответствующих начальных (7) и переменных граничных (5,6) условий.Здесь t_f- температура факела пламени, ⁰C;  - температура на обогреваемой поверхности ограждения, ⁰C;  - степень черноты объекта облучения; - степень черноты факела пламени;  – постоянная Стефана-Больцмана.

Уравнение теплопроводности является нелинейным, так как при расчете прогрева железобетонных конструкций в условиях пожара, необходимо учитывать изменения свойств материала в зависимости от его температуры и времени высокотемпературного воздействия.

Решение дифференциального уравнения (4) относительно температур ограждающей конструкции осуществляется методом конечных разностей, заменяя дифференциальное уравнение теплопроводности его конечно-разностным аналогом. Для этого, конструкция рассматривается как тело состоящего из конечного числа слоев nтолщиной Dх, а непрерывное распределение температуры заменяется ступенчатым во времени с расчетным интервалом .

Толщина расчетного слоя конструкции Dх принимается из условия:

(9)

где – толщина защитного слоя бетона до арматуры, м.

Используя неявную разностную схему, температура по толщине конструкции в момент времени определяется по соответствующим формулам:

Основные результаты

Разработанный программный комплекс, предназначенный для приближенной оценки последствий воздействий теплового излучения при пожаре пролива горючих жидкостей, представляет собой комплекс из двух вычислительных модулей [11], [12], каждый из которых решает конкретную практическую задачу.

При запуске программного комплекса на экране отображается окно для выбора задачи по оценке воздействий теплового излучения на объекты облучения, представленное на рис. 2.

Рис.2 – Практические задачи по оценке воздействий теплового излучения на объекты облучения

При выборе в меню задачи по определению безопасного расстояния объекта исследования от центра пролива горючей жидкости осуществляется ввод соответствующих исходных данных для расчета (см. рисунок 3):

• выбирается из предлагаемого сортамента вид горючей жидкости (бензин, сырая нефть, дизельное топливо и т.д.), характеристики которой автоматически загружаются в программу для дальнейших численных расчетов (плотность горючей жидкости ρ; удельная массовая скорость выгорания М; плотность насыщенных паров жидкости при температуре кипения ρ_п);
• выбирается вариант задания площади пролива (определяемая либо площадью обвалования, либо объемом разлитой горючей жидкости);
• из базы данных осуществляется выбор объекта облучения и его степень поражения (болевые ощущения человека через 10-20 сек.; воспламенение древесины с шероховатой поверхностью; воспламенение древесины, окрашенной масляной краской; воспламенение торфа; воспламенение ГЖ; здания, сооружения и т.д.), что приводит к автоматической загрузке значения критической плотности теплового излучения q_кр.;
• вводитсячисленное значение скорости ветра и температуры окружающей среды (для автоматической загрузки в программу значения плотности воздуха).

Рис.3 – Окно для ввода исходных данных вычислительного модуля оценки безопасных расстояний

 Результаты расчета интенсивности излучения при пожаре пролива дизельного топлива в зависимости от объема разлитой горючей жидкости могут быть представлены как в виде табличных значений (см. рисунок 5), так и графически (см. рисунок 4).

Рис.4 – Табличное представление результатов расчета по определению минимальных безопасных расстояний различных объектов облучения

Рис.5 – Графическое представление результатов расчетов интенсивности излучения в зависимости от расстояния R до центра пролива дизельного топлива

Для оценки вероятности потери теплоизолирующей или несущей способности несущих конструкций в окне «Практические задачи по оценке воздействий теплового излучения на объекты облучения» (см. рисунок 2) выбирается вычислительный модуль «Прогрев ограждающих конструкций зданий и сооружений». При этом действии появляется окно для ввода оператором исходных данных вычислительного модуля расчета прогрева ограждающих конструкций (см. рисунок 6):

• толщины защитного слоя бетона до арматуры, м;
• вида бетона из предлагаемого сортамента, теплофизические свойства (теплопроводность , теплоемкость с(t), плотность ρ и степень черноты ) которого, автоматически загружаются в программу;
• высоты ограждения , м;
• расчетный интервал времени Dτ, с;
• расчетный шаг по толщине конструкции Dх, м;
• параметры для вывода результатов расчета.

Температура факела пламени t_f и степень черноты факела пламени в исходные данные задачи загружаются автоматически.

Рис.6 –Окно для ввода исходных данных вычислительного модуля расчета прогрева ограждающих конструкций

На рисунках 7- 9 представлены результаты следующих практических расчетов:

• изменение температуры по толщине 160 мм железобетонной стены на расстоянии 75 м до геометрического центра пролива 500 м³ дизельного топлива (см. рисунок 7);
• зависимостьвремени достижения критической температуры (t_кр=470 ⁰С) арматуры в 160 мм железобетонной стене при защитном слое тяжелого бетона толщиной 20 мм в от объема пролива бензина и расстояния до геометрического центра пролива R ( см. рисунок 8);
• зависимостьвремени достижения критической температуры (t_кр=470 ⁰С) арматуры в 160 мм железобетонной стене при защитном слое тяжелого бетона толщиной 20 мм в от объема пролива бензина и расстояния до геометрического центра пролива R (см. рисунок 9)

Рис.7 –Изменение температуры по толщине железобетонной стены на расстоянии R до геометрического центра пролива известного объема дизельного топлива

Рис.8 –Зависимостьвремени достижения критической температуры арматуры в железобетонной стене при защитном слое тяжелого бетона от объема пролива бензина и расстояния до геометрического центра пролива R

Рис.9 –Зависимость времени достижения критической температуры арматуры в железобетонной стене от толщины защитного слоя тяжелого бетона от расстояния до геометрического центра пролива R при проливе известного объема бензина

Заключение

Разработанный программный продукт является средством комплексной методики оперативной оценки последствий воздействия теплового излучения пожаров пролива жидких горючих веществ, освоение которого не требует специальной подготовки. При этом за счет автоматизированного ввода необходимой справочной информации существенно снижается трудоемкость расчетов.

Принципиальное значение в данном программном комплексе имеет численная оценка возможных последствий воздействий опасного фактора пожара на различные объекты облучения при одном и том же варианте чрезвычайной ситуации.

Разработанная комплексная автоматизированная методика представляет профессиональный интерес не только для инженерно-технических работников Федеральной противопожарной службы МЧС России, но и для научно-преподавательского состава пожарно-технических вузов, занимающихся подготовкой инженеров пожарно-технического профиля и научными исследованиями в области обеспечения пожарной безопасности.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы/References

1. СП 4.13130.2013 «Системы противопожарной защиты. Ограничение распространения пожара на объектах защиты. Требования к объемно-планировочным и конструктивным решениям»;
2. СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности»;
3. СП 156.13130.2014 «Станции автомобильные заправочные. Требования пожарной безопасности»;
4. СП 231.1311500.2015 «Обустройство нефтяных и газовых месторождений. Требования пожарной безопасности»;
5. Еремина Т.Ю.Обзор программного обеспечения расчета огнестойкости строительных конструкций для различных моделей пожаров. /Т. Ю. Еремина, Д. А. Корольченко //Пожаровзрывобезопасность/FireandExplosionSafety. 2020 Т. 29. № 3. C.44-53.
6. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. / В. М. Ройтман // Ассоциация «Пожарная безопасность и наука». – 2001. – 382 с.
7. Фадеев В.Е. Исследование предела огнестойкости экранных стен / В. Е. Фадеев // Пожарная безопасность. – 2019. – № 2. – С. 49-53.
8. ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. Приложение В «Метод расчета интенсивности теплового излучения при пожарах проливов легковоспламеняющихся и горючих жидкостей». – М:Стадартинформ, 2014. – 66 с. »
9. Методика расчета режимов прогрева строительных конструкций в условиях внутреннего пожара. / Н. Н. Романов, А. А. Кузьмин, А .А. Пермяков и др. // Вестник Max.–2021. –№1. – с.84-93.
10. Теплофизические закономерности развития пожарной опасности на промышленных предприятиях и нефтегазовых объектах (Монография) / Д. Ю. Минкин, А. В. Федоров, Н. Н. Романов и др. // СПб университет ГПС МЧС России. – 2018. – 464 c.
11. Романов Н.Н. Автоматизация расчета температурного прогрева в ограждающих конструкциях при одностороннем огневом воздействии Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2020667160, 21.12.2020/ Н. Н. Романов, А. А. Кузьмин, А .А. Пермяков. Заявка № 2020665819 от 01.12.2020.
12. Романов Н.Н. Автоматизация расчета безопасного расстояния от очага открытого пожара Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2019664213, 1.11.2020/ Н. Н. Романов, А. А. Кузьмин, А .А. Пермяков. Заявка№ 2019662959 от 21.10.2020.

Список литературы на английском языке/References in English

1. SP 4.13130.2013 Sistemy protivopozharnoy zashchity. Ogranicheniye rasprostraneniya pozhara na obyektakh zashchity. Trebovaniya k obyemno-planirovochnym i konstruktivnym resheniyam [Fire protection systems. Limiting the spread of fire at protection facilities. Requirements for space-planning and design solutions]. [in Russian]
2. SP 155.13130.2014 Sklady nefti i nefteproduktov. Trebovaniya pozharnoy bezopasnosti [Warehouses of oil and petroleum products. Fire safety requirements]. [in Russian]
3. SP 156.13130.2014 Stantsii avtomobilnyye zapravochnyye. Trebovaniya pozharnoy bezopasnosti [Car refueling stations. Fire safety requirements]. [in Russian]
4. SP 231.1311500.2015Obustroystvo neftyanykh i gazovykh mestorozhdeniy. Trebovaniya pozharnoy bezopasnosti[Development of oil and gas fields. Fire safety requirements]. [in Russian]
5. Eremina T.Yu. Obzor programmnogo obespecheniya rascheta ognestoykosti stroitelnykh konstruktsiy dlya razlichnykh modeley pozharov [Review of software for calculating the fire resistance of building structures for various models of fires]. / Eremina T.Yu., Korolchenko D.A. // Pozharovzryvobezopasnost [Fire and Explosion Safety]. – 2020. – Vol. 29. No. 3. – pp.44-53.
6. Roitman V.M. Inzhenernyye resheniya po otsenke ognestoykosti proyektiruyemykh i rekonstruiruyemykh zdaniy[Engineering solutions for assessing the fire resistance of designed and reconstructed buildings]. / V.M. Roitman // Association "Fire Safety and Science". – 2001. – 382 p.
7. Fadeev V.E. Issledovaniye predela ognestoykosti ekrannykh sten [Investigation of the fire resistance limit of screen walls ] / Fadeyev V. E. // Pozharnaya bezopasnost [Fire safety]. 2019. No. 2. pp. 49-53.
8. GOST R 12.3.047-2012 "Fire safety of technological processes. General requirements. Methods of control. Appendix B "Method for calculating the intensity of thermal radiation during fires of spills of flammable and combustible liquids". - Moscow: Stadartinform, 2014. - 66 p.
9. Metodika rascheta rezhimov progreva stroitelnykh konstruktsiy v usloviyakh vnutrennego pozhara [Method of calculation of heating modes of building structures in conditions of internal fire]. / N. N. Romanov. A. A. Kuzmin. A .A. Permyakov et al. // Vestnik Max [Bulletin Max]. –2021. – №1. – pp.84-93.
10. Teplofizicheskiye zakonomernosti razvitiya pozharnoy opasnosti na promyshlennykh predpriyatiyakh i neftegazovykh obyektakh (Monografiya) [Thermophysical patterns of fire hazard development at industrial enterprises and oil and gas facilities (Monograph)]. / D. Yu. Minkin. A. V. Fedorov. N. N. Romanov et al. // SPb universitet GPS MChS Rossii [St. Petersburg University of GPS EMERCOM of Russia]. – 2018. – 464 c
11. Romanov N.N. Avtomatizatsiya rascheta temperaturnogo progreva v ograzhdayushchikh konstruktsiyakh pri odnostoronnem ognevom vozdeystvii Svidetelstvo o registratsii programmy dlya EVM [Automation of calculation of temperature heating in enclosing structures with unilateral fire action Certificate of registration of the computer program]/N. N. Romanov. A. A. Kuzmin. A .A. Permyakov RU 2020667160, 12/21/2020. Application No. 2020665819 dated 01.12.2020. [in Russian]
12. Romanov N.N. Avtomatizatsiya rascheta bezopasnogo rasstoyaniya ot ochaga otkrytogo pozhara Svidetelstvo o registratsii programmy dlya EVM [Automation of calculating the safe distance from the open fire source Certificate of registration of the computer program]/ N. N. Romanov. A. A. Kuzmin. A .A. Permyakov. RU 2019664213, 1.11.2020. ApplicationNo. 2019662959 (dated 21.10.2020).[inRussian]