Russian Federation
The purpose of the research is to substantiate the possibility of using carbon nanostructures in robotic fire extinguishing installations at facilities with the circulation of petroleum products. The paper presents the results of measuring the surface tension and viscosity of water with a wetting agent modified with carbon nanostructures (astralens), as well as determining the mass burnout rate of a flammable liquid under the conditions of supplying a fire extinguishing agent. The results of measurements of the extinguishing time of a class B model focus and the time of thermal destruction of a foaming agent film on the surface of a combustible liquid are presented. Based on the research, it was concluded that fire extinguishing compositions modified with astralenes should be used in robotic fire extinguishing installations at facilities with the circulation of petroleum products in order to provide thermal protection and reduce the time to extinguish a fire.
robotic fire extinguishing installations, fire extinguishing composition, surfactants, carbon nanostructures, thermal protection, foam concentrate solution
Наиболее вероятными последствиями развития аварийных ситуаций на объектах транспортировки нефтепродуктов являются пожары и взрывы, сопровождающие воспламенением паров нефтепродуктов, образованием ударной волны с фронтом избыточного давления [1]. Кроме того, в последнее время объекты хранения и транспортировки нефтепродуктов становятся подвержены диверсиям и террористическим актам [2]. В таких условиях создается угроза каскадного развития пожара, который мгновенно захватывает большие площади объекта, что создает дополнительные сложности для его ликвидации [3].
Для сокращения времени оперативного реагирования на развитие пожароопасной ситуации и исключения поражения людей опасными факторами пожара (ОФП) все чаще применяются роботизированные установки пожаротушения (РУП). Развитие технологий пожаротушения с помощью РУП неотъемлемым образом связано с разработкой современных, экологически чистых, высокоэффективных огнетушащих и защитных составов (ОТВ), дающих возможность их использования в условиях недостаточного водоснабжения [4], воздействия ОФП. Путями повышения эффективности РУП является возможность увеличения скорости и точности выполнения заданной последовательности действий установки в сравнении с обычными техническими средствами пожаротушения (ОТС).
Одним из способов повышения эффективности РУП является использование ОТВ, минимизирующих время ликвидации горения нефтепродукта. Это достигается за счет применения поверхностно-активных веществ (ПАВ), обеспечивающих снижение поверхностного натяжения огнетушащей жидкости и увеличение стойкости пленки пенообразователя.
Исследования [5] показали возможность повышения эффективности ОТВ и защитных составов в условиях горения нефтепродуктов за счет применения углеродных наноструктур (УНС). Однако до настоящего времени исследования по оценке огнетушащей способности установок пожаротушения с применением ПАВ, модифицированных УНС, не проводились. Целью настоящего исследования было физико-химическое обоснование компонентов рецептур огнетушащих составов на основе воды с ПАВ для применения в РУП на объектах нефтегазового комплекса.
Материалы и методы исследования
В качестве материалов для исследования использовались: вода и растворы синтетического пенообразователя (ПО) типа «S» (2 и 6 масс %) [6], модифицированные УНС (астраленами) [7], в концентрации 0,01–0,1 масс. %.
Для всех образцов ОТВ были проведены измерения поверхностного натяжения (методом отрыва капель) [8], вязкости (сталагмометрическим методом) [9]. Определялась массовая скорость выгорания легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) (бензин марки «АИ-92» ТУ-0251-001-12150839–2015) в условиях подачи ОТВ с интенсивностью 0,1 л/(м2.с) [10]. Также были произведены измерения времени тушения модельного очага класса «В» модифицированными ОТВ и термической деструкции пленки ПО на поверхности горючей жидкости [5].
Результаты исследования
Результаты измерений поверхностного натяжения модифицированных ОТВ приведены на рис. 1.
Диспергирование УНС в ОТВ в диапазоне концентраций 0,01–0,02 не приводит к значимому изменению поверхностного натяжения.
При увеличении концентрации УНС свыше 0,01 масс. % происходит рост поверхностного натяжения для всех модифицированных ОТВ. Максимальное изменение значений поверхностного натяжения наблюдалось для концентрации УНС 0,1 масс. % (для 2 % раствора ПО – увеличение на 31 %, для 6 % раствора ПО – увеличение на 49 %).
Результаты измерений кинематической вязкости растворов ПО при температуре 25 °С приведены на рис. 2.
Максимальная кинематическая вязкость наблюдается при концентрации ПО 2 масс. % и концентрации астраленов 0,01 масс. %, а минимальная – при 6 масс. % и концентрации астраленов 0,02 масс. %.
Результаты определения массовой скорости выгорания ЛВЖ в условиях подачи модифицированных ОТВ представлены на рис. 3.
На основании полученных данных можно сделать вывод, что наименьшая массовая скорость выгорания наблюдалась для ПО 2 масс. % и 6 масс. % с концентрацией УНС
0,02 масс. %.
Результаты исследований влияния концентрации УНС на время ликвидации модельного очага пожара класса «В» модифицированными ОТВ представлены на рис. 4.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что наилучший огнетушащий эффект достигается при использовании ПО 2 масс. % с концентрацией УНС 0,02 масс. %,
а для ПО 6 масс. % – с концентрацией УНС 0,1 масс. %.
Данные о времени разрушения пленки ПО в зависимости от концентрации УНС представлены на рис. 5.
Наибольшее значение времени разрушения пленки ПО в зависимости от концентраций пенообразователя 2 масс. % и 6 масс. % и концентрации астраленов 0,1 масс. %, наименьшее значение времени разрушения пленки ПО в зависимости от концентраций пенообразователя 2 масс. % и 6 масс. % и концентрации астраленов 0,01 масс. %.
Обсуждение результатов
Горение нефтепродуктов сопровождается резким увеличением температуры в зоне горения, характерное для кривой углеводородного пожара: ,
где Т – текущая температура в помещении, °С; То – температура в помещении на момент возгорания, °C; τ – время от начала пожара, мин.
Для данных условий достижения температур, приводящих к выходу из строя оборудования РУП, без использования тепловой защиты, при критических достижений теплового потока [11].
Снижение температуры в зоне горения нефтепродуктов может быть достигнуто путем нарушения теплового баланса [12]:
где – тепловыделение при сгорании нефтепродуктов; – теплопотери. ,
где Qн – низшая теплота сгорания горючего; K0 – предэкспоненциальный множитель;
φг и φок – концентрация горючего и окислителя, соответственно; h и m – порядок реакции
по горючему и окислителю, соответственно; Е – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура. ,
где – тепло, отводимое конвекцией; – тепло, отводимое излучением; – тепло, отводимое испарением.
При подаче ОТВ происходит увеличение теплопотерь из зоны горения и ее охлаждение конвекционной зоны до температуры потухания [13]:
где – адиабатическая температура, К; – изменение температуры, К.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что применение наномодифицированных ОТВ ведет к снижению интенсивности испарения ЛВЖ, охлаждению зоны горения, что в конечном счете определяет снижение времени ликвидации горения нефтепродуктов.
Незначительное изменение вязкости ОТВ и увеличение «срока жизни» пленки ПАВ позволяют не только применять модифицированный состав в уже использующихся РУП,
но и обеспечивать повышение тепловой защиты оборудования за счет сокращения интенсивности испарения нефтепродуктов под слоем пленки ПАВ. При подаче модифицированного состава происходит охлаждение зоны горения, уменьшение массовой скорости выгорания ЛВЖ, что в конечном счете обеспечивает сокращение времени тушения пожара и уменьшение тепловой нагрузки на конструктивные элементы технологических установок на объектах транспортировки нефтепродуктов.
Таким образом, увеличение огнетушащей способности РУП приводит к снижению теплового потока и температуры в зоне горения, тем самым достигается задача повышения теплозащитной эффективности за счет подачи модифицированных огнетушащих веществ.
Заключение
1. Значительные изменения поверхностного натяжения растворов ПО происходят при концентрации УНС более 0,2 масс. %.
2. Измерения вязкости растворов ПО показали небольшое (до 15 %) увеличение измеренных значений в интервале концентрации астраленов от 0,1 до 1,0 масс. %, что позволяет применять наномодифицированных ОТВ в существующих РУП.
3. Исследования влияния концентрации УНС на разрушение пленки ПО, которое показало, что диспергирование астраленов в растворы ПО в несколько раз увеличивает «время жизни пены», в особенности для концентраций пенообразователя 2 масс. % и 6 масс. %.
4. Исследования влияния концентрации УНС на время ликвидации горения модельных очагов класса «В» модифицированными ПО показали, что наилучшими огнетушащими свойствами (сокращение времени тушения на 25–40 %) обладают составы с содержанием пенообразователя 2 и 6 масс. % с содержанием УНС в растворе 0,01–0,2 масс. %. Для данных составов не наблюдалось повторного воспламенения ЛВЖ после тушения, что может быть объяснено термической стойкостью пленки ПО.
Таким образом, на основании полученных данных можно сделать вывод, что модифицированные огнетушащие составы целесообразно применять при тушении пожаров РУП на объектах транспортировки нефтепродуктов с целью обеспечения тепловой защиты и сокращении времени ликвидации пожара.
1. Rozhkov D.M., Sedov D.V., Belyak A.L. Issledovanie velichiny pozharnogo riska pri transportirovke i hranenii nefteproduktov v usloviyah neftebazy // XXI vek. Tekhnosfernaya bezopasnost'. 2022. T. 7. № 2 (26). S. 168-178.
2. Shvyrkov S.A. Pozharnyj risk pri kvazimgnovennom razrushenii neftyanogo rezervuara: dis. … d-ra tekhn. nauk. M.: Akad. GPS MCHS Rossii, 2013.
3. Metody povysheniya bezopasnosti vedeniya rabot po tusheniyu pozhara v rezervuarnyh parkah / S.A. Imamutdinov [i dr.] // Setevoe izdanie «Neftegazovoe delo». 2019. № 1. S. 90-91.
4. Tarancev A.A., Pivovarov N.Yu. Raschetnaya ocenka vodootdachi tupikovyh setej naruzhnogo protivopozharnogo vodosnabzheniya // Pozharovzryvobezopasnost'. 2012. T. 21. № 9. S. 73-78.
5. Fizicheskij mekhanizm i sposob tusheniya zhidkih uglevodorodov modificirovannymi suspenziyami vody s uglerodnymi nanostrukturami / A.V. Ivanov [i dr.] // Pozharovzryvobezopasnost' / Fire and explosion safety. 2019. T. 28. № 1. S. 22-34. DOI:https://doi.org/10.18322/PVB.2019.28.01.22-34.
6. Pustovalov I.A., Ivanov A.V. Metodika povysheniya ognetushashchej sposobnosti modul'nyh ustanovok pozharotusheniya tonkoraspylennoj vodoj na ob"ektah neftegazovogo kompleksa // XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus. 2021. T. 10. № 4. S. 187-192.
7. Structural and magnetic resonance study of astralen nanoparticles / A.I. Shames [et al.] // Diamond and related materials. 2009. Vol. 8. № 2-3. P. 505-510.
8. Tanvir, S., Qiao L., Surface tension of nanofluid-type fuels containing suspended nanomaterials // Nanoscale research letters. 2012. T. 7. № 226. S. 1-10. DOI:https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-226.
9. Sohel Mursheda S.M., Patrice E. A state of the art review on viscosity of nanofluids // Renewable and sustainable energy reviews. 2017. № 76. P. 1134-1152.
10. Gosudarstvennyj standart Soyuza SSR GOST 12.1.044-89. Sistema standartov bezopasnosti truda. Pozharovzryvoopasnost' veshchestv i materialov. Nomenklatura pokazatelej i metody ih opredeleniya. Dostup iz inform.-pravovogo portala «Garant».
11. Issledovanie teploperedachi cherez dvustennyj teplozashchitnyj ekran robota-pozharnogo / A. Ștefan [et al.] // Mashiny. 2022. T. 10. № 10. S. 942.
12. Gorshkov V.I. Tushenie plameni goryuchih zhidkostej // Monografiya. 2007. S. 174-181.
13. Nolan D.P. Handbook of fire and explosion protection engineering principles for oil, gas, chemical and related facilities. 2nd ed. Elsevier Inc., 2011. 340 p. DOI: 10.1016B978-1-4377-7857-1.00039-2.
