Почему разливной пожар сложнее «классического»

Техногенные пожары на объектах хранения и транспортировки горючих жидкостей часто начинаются с утечки: топливо растекается, образуя разлив, и воспламеняется. В отличие от пожара в резервуаре с фиксированными границами, здесь фронт горения постоянно перемещается, а расстояние от пламени до потенциальной мишени — соседнего резервуара или технологической установки — постепенно сокращается 1. Именно эта динамика делает прогноз теплового воздействия нетривиальной задачей.

Масштаб последствий хорошо иллюстрируют известные аварии. При пожаре на нефтебазе в Бансфилде (Великобритания) в 2005 году распространение пламени, поддерживаемое прямой зажигательной способностью и радиационным теплопереносом, привело к уничтожению более 20 крупных резервуаров; прямые экономические потери оценивались в 250 млн фунтов стерлингов 1. В 2013 году разрыв нефтепровода в Циндао (Китай) вызвал крупный разливной пожар: пламя распространялось по узким дренажным каналам, что расширило зону бедствия, привело к 62 погибшим и прямым потерям свыше 750 млн юаней 1. Эти примеры показывают, что ключевые вопросы для безопасности — как быстро растёт зона горения, насколько интенсивно излучение и когда может отказать соседнее оборудование.

От геометрии факела к тепловому потоку

Исторически для оценки радиационного теплового потока от пожаров проливов использовали простые геометрические приближения. Для дискообразных очагов горения применялась цилиндрическая модель факела, которая, однако, не учитывает вихревое движение, вызванное подсосом воздуха, и теряет точность при сильном изменении формы пламени 1. Позже появились многослойные цилиндрические модели: факел разбивается на множество микроцилиндров вдоль осевой линии, каждому задаётся своя температура и диаметр, а суммарный поток получается суммированием вкладов слоёв 1.

Для разливных пожаров с двумерным растеканием предложена многослойная дисковая модель излучения, которая учитывает пространственные вариации радиационных свойств и динамику углового коэффициента, излучательной способности, температуры и морфологии пламени на разных стадиях 1. Авторы сообщают, что по сравнению с обычными однослойными цилиндрическими моделями новая модель заметно точнее предсказывает тепловой поток на стадиях растекания и стабилизации 1.

Ветер как управляющий параметр

Ветер меняет не только наклон факела, но и механизм, определяющий его высоту. В экспериментах с одномерными разливными пожарами в каналах разной ширины при увеличении скорости воздушного потока доминирующий механизм последовательно смещался от всплывающей струи к конкуренции с горизонтальными инерционными силами и затем к их преобладанию; высота пламени при этом уменьшалась, а угол наклона рос 2. Длина пламени в условиях встречного потока сначала уменьшалась, а затем увеличивалась; при попутном потоке наблюдалась обратная тенденция, а более широкие каналы давали более короткое пламя 2. Для описания этих эффектов построена единая безразмерная модель длины пламени, учитывающая скорость и направление потока и ширину канала 2.

Отдельно стоит подчеркнуть: нелинейный характер скорости выгорания — сначала рост, затем снижение при увеличении скорости потока из-за противодействия усиленного горения и конвективного отвода тепла — установлен для двумерных разливов при продольном потоке 3, а не для одномерных канальных конфигураций 2. Это различие важно при переносе выводов между конфигурациями.

Для расчёта угловых коэффициентов в одномерных разливных пожарах в каналах при встречном и попутном потоке применяется метод дискретного суммирования по точкам в рамках предложенной четырёхгранно-пирамидальной модели излучения 2. Экспериментальная проверка подтвердила, что модель эффективно предсказывает изменения радиационного теплового потока в таких условиях 2.

Когда излучение угрожает соседним резервуарам

Для двумерных разливных пожаров при продольном потоке предложена четырёхгранно-пирамидальная модель излучения, основанная на геометрии факела. По сравнению с моделями треугольной и прямоугольной призмы она существенно повышает точность прогноза теплового потока: общая ошибка укладывается в 20% 3. При этом важно различать классы моделей: для моделей на основе взвешенных многоточечных источников, применявшихся к динамическому растеканию разливов, также сообщается о погрешности в пределах 20% 1. Это разные подходы с разной геометрией факела, и совпадение порядка точности не означает их эквивалентности.

Отдельное направление — численные расчёты теплового отклика резервуаров. В исследовании пожаров в обваловании с разделительными перегородками при разных скоростях ветра моделирование пожара выполнялось в Pyrosim, а термомеханический отклик оценивался связкой с Abaqus; авторы подтвердили высокую точность и применимость метода координатного отображения для термомеханического сопряжения 4. С ростом скорости ветра поведение пламени менялось от вертикального подъёма к боковому наклону в сторону соседних резервуаров. При 0 и 3 м/с тепловое излучение концентрировалось преимущественно в средней и нижней частях стенки; при 6 м/с верхняя часть факела вытягивалась и наклонялась, усиливая облучение средне-верхних зон; при 9 м/с факел заметно наклонялся и приближался к стенке, а максимальная интенсивность излучения достигала 3,5-кратного уровня по сравнению с 6 м/с 4. Термомеханический анализ показал, что зона повышенных температур смещается от средне-нижних к средне-верхним участкам, которые становятся основной зоной риска отказа 4.

Ограничения и что важно учитывать

Во-первых, значительная часть моделей излучения строится на экспериментах в контролируемых условиях — в каналах фиксированной ширины или на лабораторных разливах — и их перенос на промышленные масштабы требует осторожности 1, 2. Во-вторых, как отмечается в обзоре по распространению пламени, многие подходы к прогнозу опираются на эмпирические данные и не всегда пригодны для предсказательного использования; исторически они создавались под иные задачи — стандартизированные испытания и информирование аварийных служб 5. В-третьих, разные конфигурации (одномерные каналы, двумерные разливы, пожары в обваловании) дают разные зависимости: например, нелинейность скорости выгорания показана для двумерных разливов при продольном потоке 3, но не для одномерных канальных экспериментов 2. В-четвёртых, численные термомеханические расчёты требуют сопряжения моделей разной природы (пожарной и прочностной), и корректность такого сопряжения сама по себе является предметом валидации 4. Наконец, в источниках описаны отдельные сценарии и геометрии; обобщение на произвольный промышленный объект без дополнительной проверки не гарантируется.

Что дальше

Развитие направления связано с совершенствованием диагностики и моделей, что открывает новые возможности для понимания фундаментальных процессов распространения пламени и их приложений 5. Для практики критично совмещать модели динамики факела и излучения 1, 3 с расчётами теплового и термомеханического отклика конструкций 4, а также явно оговаривать область применимости каждой модели — конфигурацию разлива, направление и скорость потока, масштаб. Только такая связка позволяет обоснованно оценивать риски для соседних резервуаров и планировать защитные расстояния.