Пожары пролива легковоспламеняющихся жидкостей (далее – ЛВЖ) занимают первое место среди сценариев развития пожара на объектах нефтегазовой отрасли [1].

Среди утечек ЛВЖ доминирующими в своем количестве являются локальные утечки объемами от одного до нескольких литров. Характерными местами таких утечек на предприятиях с обращением нефти и нефтепродуктов являются:

- места проведения сливо-наливных операций;

- фланцевые соединения трубопроводов;

- места отбора проб продукта;

- участки размещения насосного оборудования и др.

Для предотвращения распространения пожара пролива за пределы очага применяется различные технические решения, ограничивающие растекание жидкостей по поверхности, такие как: бортики из негорючих материалов; дренажные лотки, связанные с аварийной емкостью; приямки; поддоны и другие средства [2].

Пожарная опасность локальных проливов ЛВЖ состоит в возможности формирования взрывопожаропасной паровоздушной смеси, при воспламенении которой пожар может развиваться по следующим сценариям:

- пожар-вспышка;

- сгорание паровоздушного облака с образованием волны давления;

- пожар пролива;

 - огненный шар (при воздействии теплового излучения от пожара пролива на аппарат с ЛВЖ).

 Одним из простых и доступных способов снижения пожарной опасности локальных проливов ЛВЖ является экранирование зеркала пролива гранулированными материалами в виде подложки. В работах [3, 4] отмечено, что при проливе ЛВЖ на гранулированную поверхность определенной толщины и фракции гранул значительно снижается высота пламени. Подложку из гранулированного пеностекла, как эффективное средство сокращения потерь нефтепродуктов использовали для покрытия резервуаров [5].

 В качестве наполнителя поддонов, приямков и т.д. для сбора утечек горючих жидкостей предлагалось использовать различные виды гравия, щебня, легких гранул керамзита, вермикулита, пеностекла. Преимущество в снижении параметров испарения горючих жидкостей получили материалы небольшой насыпной плотности, благодаря этому свойству слой гранул при любом уровне взлива жидкости будет находиться на ее поверхности и, экранируя зону испарения.

 Анализ физико-механических свойств наиболее легких гранулированных материалов разных фракций показал, что пеностекло марки «Термоизол» является самым низкогигроскопичным, легким, термостойким, низкотеплопроводным материалом [6]. Наиболее близок по насыпной плотности к пеностеклу вспученный вермикулит, однако, из-за высокой сорбционной активности, низкой гигроскопичности гранулы теряют свои флотационные свойства.

 Исследования по определению влияния фракционного состава гранул на характеристики пламени (высота пламени, температура в зоне реакции горения и режим горения жидкостей) при горении жидкости в емкости показали, что подложка из гранулированного пеностекла фракции 5-7 мм в наибольшей степени снижает характеристики пламени [4].

 Пористый слой гранулированной подложки из пеностекла разделяется на две зоны: гранулы в жидкости и «сухой» слой гранул. В условиях пролива горючей жидкости «сухой» слой гранул выступает в роли «экрана», препятствующего свободному потоку молекул пара от поверхности жидкости. Слой гранул над поверхностью жидкости разбивает объем пара на многочисленные криволинейные струйки движущиеся в верх по криволинейным капиллярам «сухого» слоя. Движение молекул пара затрудняется из-за сопротивления, вызванного контактом молекул пара со стенками криволинейных капилляров. Чем выше «сухой» слой гранулированной подложки, тем больше сопротивления встречает поток пара, так как увеличивается длина капилляра.

   Доминирующим параметром, влияющим на пожаровзрывоопасность горючей смеси при аварийных проливах ЛВЖ является масса паров, испарившихся с поверхности разлива, которая определяется по формуле [7]:

 m_п = F_и · W · Т (1)

  где W - интенсивность испарения, кг   с^–1   м^–2;  

  F_и  - площадь испарения, м²;

  Т  - продолжительность поступления паров ЛВЖ, ГЖ в окружающее пространство.

 Интенсивность испарения W определяется по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых выше расчетной температуры (окружающей среды) ЛВЖ при отсутствии данных W можно рассчитать по формуле:

  , (2)

 где М — молярная масса, кг   кмоль^–1;

 Р_н — давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, определяемое по справочным данным, кПа.

 η – коэффициент подвижности воздушной среды, в отсутствии подвижности воздушной среды принимается равным 1.

 Если рассматривать поток молекул пара в канале гранулированной подложки, то сопротивление оказываемое стенками гранул будет зависеть от начальной скорости потока молекул пара и длины капилляра, которую можно принять равной высоте «сухого» слоя гранул, хотя она, приблизительно, на 20 % больше.

Модель испарения ЛВЖ при гранулированной подложке зернистого материала на поверхности жидкости.

Гипотеза: убыль массовой скорости испарения жидкости, пары которой прошли зону экранирования гранулированной подложки, в точке с координатой x и толщиной dx равна –d $\mathrm{\upsilon }.$

Эта величина пропорциональна массовой скорости паров жидкости, дошедших точки x и толщине слоя гранулированной подложки – dx:

$d\mathrm{\upsilon }=-k_{э}\mathrm{\upsilon }dx$

где ${ k}_{э}$ – коэффициент экранирования, который зависит от физико-химических свойств гранулированной подложки по отношению к типу ЛВЖ и температуры;

υ – массовая скорость испарения жидкости, кг/c.

Интегрируя данное уравнение, получим:

$\mathrm{\upsilon }={\mathrm{\upsilon }}_0\bullet \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-k_{э}L)$

где ${\mathrm{\upsilon }}_0$ - массовая скорость испарения жидкости без экрана гранул;

L – толщина слоя гранулированной подложки или Нс – высота сухого слоя подложки из гранулированного пеностекла.

Если лимитированное время процесса принять за 15 мин., то, построив график зависимости

$ln\frac{{\mathrm{\upsilon }}_0}{\mathrm{\upsilon }}=k_{э}L$

можно найти коэффициент экранирования для данного размера гранул для каждой ЛВЖ.

 Экспериментальная часть

 «Определение скорости испарения ЛВЖ в емкости с гранулированной подложкой гравиметрическим методом»

Для определения влияния коэффициента экранирования на скорость испарения ЛВЖ использовались емкости внутренним диаметром 12 см и гранулы из пеностекла марки «Термоизол» фракции 5-7 мм. Высота слоя гранул (высота слоя гранул в жидкости + высота «сухого» слоя) соответствовала высоте емкости. В качестве легковоспламеняющихся жидкостей использовались: ацетон; гексан (ч), бензин АИ-92 (без спиртов), этиловый спирт, керосин, дизельное топливо (з). Объем жидкости составлял 45 мл (± 2 мл). ЛВЖ наливалась в центр емкости с помощью шприца-дозатора объемом 50 мл так, чтобы жидкость не разбрызгивалась по поверхности гранул. Взвешивание проводилось на аналитических весах GR-200 с ценой деления 0,0001 г, классом точности по ГОСТ 24104-2001: I. Температура окружающей среды составляла 20,5 ºС (± 1 ºС), относительная влажность воздуха 50 %, скорость движения воздуха не более 0,2 м/с.

Зависимость скорости испарения горючих жидкостей (j, г/с) от высоты «сухого» слоя (Нс, см) гранулированной подложки представлена на графике, рисунок 1.

Рисунок 1 - Изменение скорости испарения ЛВЖ от высоты «сухого» слоя гранулированной подложки из пеностекла

Зависимости коэффициентов экранирования испарения ЛВЖ от высоты «сухого» слоя гранулированного пеностекла представлены на графике, рис. 2.

  Рисунок 2 - Модель для определения коэффициентов экранирования с линейной зависимостью

 На графике (рис. 2) в качестве примера представлена линейная зависимость вида y=kx (ln(υ0/υ) от Hc) для бензина АИ-92, в которой коэффициент k=0,3727 является коэффициентом экранирования испарения пролива ЛВЖ гранулированной подложкой из пеностекла, а х – высота «сухого» слоя подложки.

 Из проведенного исследования следует, что:

1. скорость испарения ЛВЖ снижается с увеличением «сухого» слоя гранулированной подложки из пеностекла;
2. максимальная скорость испарения ЛВЖ отмечается у бензина АИ-92, ацетона и гексана (ч), (ЛВЖ с низкими температурой кипения и температурой вспышки);
3. при толщине «сухого» слоя гранулированной подложки из пеностекла равным 4,5 см скорость испарения снижается от 4,5 раз (гексан (ч)) до 8,6 раз (керосин авиационный);
4. при толщине «сухого» слоя гранулированной подложки из пеностекла равным 9,0 см скорость испарения снижается от 12 раз (гексан (ч)) до 25 раз (дизельное топливо (зимнее));
5. разработана модель по определению коэффициентов экранирования с линейной зависимостью.

Список литературы

1. Уроки, извлеченные из аварий Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (годовые). Отчет // Ростехнадзор. [Электронный ресурс] URL http://www.gosnadzor.ru/industrial/oil/lessons/.
2. Ширяев Е.В. Анализ инженерно-технических решений, направленных на ограничение растекания горючих жидкостей. Сборник материалов IV Межвузовской научно-практической конференции. Современные пожаробезопасные материалы и технологии». – Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018 – С.126-130.
3. Ширяев Е.В. «Огнезащитный эффект гранулированной пеностекольной подложки при углеводородном пожаре пролива». Статья / Ширяев Е.В., Рубцов Д.Н., Назаров В.П., Булгаков В.В. – Безопасность жизнедеятельности. №4, 2016. – С. 33-37.
4. Ширяев Е.В. Оценка эффективности пламегашения пролива ЛВЖ в гранулированном слое подложки Журнал «Современные проблемы гражданской защиты». Вып. 3. – 2019. – С.89-96.
5.  А.с. 1720939 СССР, В 65 D 88/34. Плавающее покрытие / Левин С.Н., Сипливый А.Н. – 4786122/13; заявлено 25.01.90; опубл. 23.03.92 Бюл. №11.– С. 3.
6. Ширяев Е.В. Анализ свойств гранулированных материалов для снижения пожарной опасности аварийных проливов горючих жидкостей // Актуальные вопросы совершенствования инженерных систем обеспечения пожарной безопасности объектов: сборник материалов VI ВНПК – Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2019. С. 402-407.
7. ГОСТ Р 12.3.047.2012. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.