Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Комплексный анализ теоретических, методологических и нормативных подходов к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей 18
1.1 Назначение и классификация промышленных огнепреградителей 18
1.2 Область применения промышленных огнепреградителей и особенности локализации пламени 23
1.3 Анализ теоретических и экспериментальных работ по гашению пламени в промышленных огнепреградителях 32
1.4 Анализ существующих методологических и нормативных подходов к конструированию и испытанию промышленных огнепреградителей 47
1.5 Анализ практики эксплуатации промышленных огнепреградителей 63
Выводы по главе 1 70
Глава 2. Разработка теоретических и методологических основ конструирования, испытания и повышения эффективности промышленных огнепреградителей, предназначенных для локализации пламени в условиях неподвижной горючей смеси 72
2.1 Разработка модели гашения пламени в условиях неподвижной горючей смеси 72
2.2 Разработка метода испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность 87
2.3 Экспериментальные исследования сетчатых и канальных пламегасящих элементов огнепреградителей 95
2.4 Разработка метода повышения эффективности огнепреградителей путем нанесения текстуры на поверхность пламегасящего элемента 97
2.4.1 Обоснование возможности повышения эффективности огнепреградителей путем нанесения текстуры на поверхность пламегасящего элемента 97
2.4.2 Разработка виртуальной модели гашения пламени в каналах огнепреградителей 116
2.4.3 Экспериментальное исследование канальных пламегасящих элементов с текстурированной поверхностью 124
2.4.4 Разработка усовершенствованных конструкций промышленных огнепреградителей 126
Выводы по главе 2 129
Глава 3. Разработка теоретических и методологических основ конструирования, испытания и повышения огнестойкости промышленных огнепреградителей, предназначенных для локализации пламени в условиях движущейся горючей смеси 131
3.1. Разработка модели гашения пламени в условиях движущейся через огнепреградитель горючей смеси 131
3.2. Разработка метода испытания огнепреградителей на огнестойкость 136
3.3 Экспериментальные исследования огнестойкости огнепреградителей 141
3.3.1 Экспериментальное исследование огнестойкости сетчатых огнепреградителей 141
3.3.2 Экспериментальное исследование огнестойкости кассетных огнепреградителей 142
3.3.3 Экспериментальное исследование огнестойкости огнепреградителей с пламегасящими элементами из гранулированных материалов 152
3.4 Анализ методов повышения огнестойкости промышленных огнепреградителей 157
3.4.1 Метод, основанный на уменьшении времени взаимодействия пламени с пламегасящим элементом 157
3.4.2 Метод, основанный на увеличении продолжительности защитного действия пламегасящего элемента 174
3.5. Разработка метода повышения огнестойкости огнепреградителей путем использования гранулированных пористых материалов, депонированных флегматизаторами и ингибиторами горения 183
3.6. Разработка метода повышения огнестойкости огнепреградителей
путем введения в их конструкцию теплообменных блоков 193
3.7. Разработка метода противопожарной защиты резервуаров и газоуравиительных обвязок 204
Выводы по главе 3 207
Глава 4. Разработка методологических основ конструирования и испытания детонационпостойких промышленных огнепреградителей 209
4.1. Разработка метода испытаний огнепреградителей на детонационную стойкость 209
4.2. Экспериментальные исследования стойкости огнепреградителей к воздействию детонационной волны 214
4.3. Разработка метода повышения детонационной стойкости огнепреградителей 216
Глава 5. Разработка нормативных основ конструирования, испытания и эксплуатации промышленных огнепреградителей 225
5.1 Положения, регламентирующие область применения проекта стандарта «Огнепреградители. Общие технические требования. Методы испытаний» 226
5.2 Нормативные ссылки 227
5.3 Термины и определения 229
5.4 Классификация огнепреградителей 232
5.5 Положения, регламентирующие технические требования к конструкциям огнепреградителей 234
5.6 Маркировка огнепреградителей 241
5.7 Положения, регламентирующие правила приемки огнепреградителей242
5.8 Положения, регламентирующие требования к методам испытаний огнепреградителей 245
5.9 Требования к комплектности поставки огнепреградителей, упаковке и документации 246
5.10 Положения, регламентирующие требования к эксплуатации огнепреградителей 249
Выводы по главе 5 252
Заключение 254
Литература
- Анализ теоретических и экспериментальных работ по гашению пламени в промышленных огнепреградителях
- Экспериментальные исследования сетчатых и канальных пламегасящих элементов огнепреградителей
- Экспериментальное исследование огнестойкости сетчатых огнепреградителей
- Положения, регламентирующие технические требования к конструкциям огнепреградителей
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с положениями статьи 59 Федерального закона Российской Федерации от 22 июля 2008 года №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» одним из направлений противопожарной защиты промышленных объектов является применение устройств, обеспечивающих ограничение распространения пожара за пределы очага. На технологических системах объектов нефтегазового комплекса в качестве таких защитных устройств используются сухие промышленные огнепреградители, которые свободно пропускают потоки паро- или газовоздушных горючих смесей через твердую пламегасящую насадку (пламегасящий элемент), но в то же время должны препятствовать распространению пламени в случае возникновения пожара или взрыва.
Необходимость их применения регламентируется целым рядом зарубежных, общероссийских и ведомственных норм и правил. Однако на объектах нефтегазового комплекса России и за рубежом неоднократно имели место случаи, когда данные защитные устройства не обеспечивали локализацию пламени и последствия пожаров значительно усугублялись (распространение пламени по газоуравнительным и факельным системам на группу технологических аппаратов, по парогазовоздушным линиям адсорбционных и абсорбционных установок, проникновение пламени через дыхательные клапана внутрь резервуаров с последующим взрывом и т.п.).
Указанные выше факты свидетельствуют о недостаточной надежности применяемых в настоящее время промышленных огнепреградителей и необходимости их усовершенствования. Очевидно, что проведенные до настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования в России и за рубежом не позволили решить обозначенную проблему на уровне, соответствующем современному развитию прикладной науки пожарной безопасности.
Наряду с этим следует отметить, что в Российской Федерации длительное время отсутствовал нормативный документ, регламентирующий требования к конструкциям и методам испытаний промышленных огнепреградителей. В 2009 году впервые разработан и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии ГОСТ Р 53323 – 2009 «Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний».
Следует констатировать, что, несмотря на важность разработки данного нормативного документа, он в своей методологической основе имеет ряд существенных недостатков, которые не позволяют радикально решить в комплексе существующие в настоящее время проблемы, связанные с конструированием, испытанием и эксплуатацией промышленных огнепреградителей.
Прежде всего, обращает на себя внимание то, что приведенные в стандарте технические требования и методы испытаний отражены в едином контексте как к огнепреградителям, так и к искрогасителям. Хотя очевидно, что назначение, принцип действия, область применения и условия эксплуатации данных защитных устройств различны.
Методы испытаний вместе со стендовым оборудованием, предложенные в стандарте, не позволяют в полной мере проводить испытания огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость, поскольку не учтены особенности их размещения на технологическом оборудовании и особенности эксплуатации отдельных видов огнепреградителей. Вопросы, связанные с испытанием коммуникационных огнепреградителей на стойкость к воздействию детонационной волны, а также вопросы, регламентирующие требования к эксплуатации промышленных огнепреградителей, имеющие исключительно важное значение, в действующем стандарте не нашли методологического развития. Аналогичные зарубежные стандарты имеют такие же недостатки.
С учетом этого возникла потребность разработки концептуально нового методологического и нормативного подхода к конструированию и испытанию промышленных огнепреградителей, а также подготовки на основе новой научной концепции предложений по разработке стандарта применительно к огнепреградителям, учитывающего специфику их эксплуатации на технологических системах потенциально опасных промышленных объектов.
На основании изложенного сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.
Цель диссертационной работы – разработка комплексного методологического подхода, составляющего основу нормирования требований к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
разработать модели гашения пламени, являющиеся основой для расчетного обоснования конструкций промышленных огнепреградителей;
разработать методы повышения эффективности промышленных огнепреградителей, их огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;
разработать усовершенствованные конструкции промышленных огнепреградителей;
разработать экспериментальные стенды и методы испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость с учетом особенностей их эксплуатации на технологических системах объектов нефтегазового комплекса;
провести экспериментальные исследования усовершенствованных конструкций огнепреградителей;
разработать проект государственного стандарта «Огнепреградители. Общие технические требования. Методы испытаний».
Объектом исследования являлись промышленные огнепреградители.
Предмет исследования – качественные и количественные показатели, характеризующие защитные свойства промышленных огнепреградителей.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов моделирования и путем проведения натурных экспериментов. При обработке результатов использовались методы математической статистики и системного анализа.
Научная новизна:
разработаны модели гашения пламени в огнепреградителях в условиях неподвижной горючей смеси и при разогреве пламегасящего элемента в условиях движущейся горючей смеси, учитывающие влияние длины каналов и температуры на эффект гашения пламени;
с использованием пакета прикладных программ Fluent разработана виртуальная модель гашения пламени в каналах огнепреградителей для оценки влияния текстуры поверхностей пламегасящих элементов на их пламенепроницаемость;
разработаны новые методы повышения эффективности огнепреградителей, огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;
на основе проведенных исследований разработаны новые конструкции промышленных огнепреградителей;
разработан новый метод противопожарной защиты резервуаров и газоуравнительных обвязок.
Практическая значимость:
разработаны методы испытаний и экспериментальные стенды, которые предлагается использовать для проведения приемо-сдаточных, периодических, сертификационных и типовых испытаний огнепреградителей в условиях, близких к промышленному использованию данных защитных устройств;
разработаны усовершенствованные конструкции резервуарных и коммуникационных огнепреградителей, предназначенные для надежной и длительной защиты от распространения пожаров по технологическим системам объектов нефтегазового комплекса;
разработан проект государственного стандарта, который регламентирует требования к конструированию, испытанию и эксплуатации огнепреградителей с учетом специфики их использования на технологических системах потенциально опасных промышленных объектов нефтегазового комплекса.
Достоверность изложенных в диссертации положений и выводов подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований, использованием современных и апробированных математических методов; высокой сходимостью результатов модельного и натурного экспериментов; согласованностью полученных результатов с известными данными других исследований, достаточной апробацией научных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
модели гашения пламени в промышленных огнепреградителях, учитывающие влияние длины каналов, текстуры поверхности пламегасящих элементов и температуры на эффект гашения пламени;
методы испытаний огнепреградителей на пламегасящую способность, огнестойкость и детонационную стойкость, учитывающие особенности их эксплуатации на технологических системах объектов нефтегазового комплекса;
методы повышения эффективности огнепреградителей, огнестойкости и стойкости к воздействию детонационной волны;
разработанные положения, составляющие основу нормирования требований к конструированию, испытанию и эксплуатации промышленных огнепреградителей.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на следующих международных и общероссийских научно-практических конференциях и семинарах:
I международная научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона», Санкт-Петербург, 15 ноября 2000 года.
II международная научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона», Санкт-Петербург, 18 октября 2001 года.
XVI научно-практическая конференция по вопросам борьбы с пожарами « Крупные пожары: предупреждение и тушение», Москва, 30-31 октября 2001 года.
Международная научно-практическая конференция «Международный опыт подготовки специалистов пожарно-спасательного профиля», Санкт-Петербург, 20-21 января 2004 года.
Международная научно-практическая конференция «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация», Минск, 7-9 июня 2005 года.
I международная научно-практическая конференция «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы», Санкт-Петербург, 23-24 апреля 2008 года.
IV Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 21-22 апреля 2009 года.
XIII Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», Санкт-Петербург, 18 мая 2009 года.
V международная научно-практическая конференция «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам», Санкт-Петербург, 20-22 октября 2009 года.
II международная научно-практическая конференция «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы», Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009 года.
III Всероссийская конференция «Безопасность критичных инфраструктур и территорий», Екатеринбург, 9-14 ноября 2009 года.
XVII международная научно-методическая конференция «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке», Санкт-Петербург, 11-12 февраля 2010 года.
XIII Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт-Петербург, 5-8 апреля 2010 года.
IV Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации», Екатеринбург, 15 апреля 2010 года.
V Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 20-21 апреля 2010 года.
XIV Всероссийская конференция «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах», Санкт-Петербург, 13-14 мая 2010 года.
VIII международный форум по промышленной безопасности, Санкт-Петербург, 24-27 мая 2010 года.
Межкафедральный научный семинар в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России по вопросам конструирования, испытания и сертификации промышленных огнепреградителей, Санкт-Петербург, 28 мая 2010 года.
Научно-практическая конференция «Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах», Санкт-Петербург, 7 июля 2010 года.
The 3rd international Scientific Conference «Fire engineering», Technical University in Zvolen, 5th – 6th Oct. 2010.
II международная научно-практическая конференция «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте», Санкт-Петербург, 16-18 ноября 2010.
Научный семинар «Актуальные проблемы отраслей науки», Санкт-Петербург, 19 ноября 2010 года.
XVIII международная научно-методическая конференция «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке», Санкт-Петербург, 17-18 февраля 2011 года.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 62 печатных работы, из них:
16 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ;
1 монография (удостоена премии Национальной академии наук пожарной безопасности);
3 патента Российской Федерации на полезную модель;
42 публикации в научных журналах и трудах международных, всероссийских, региональных и ведомственных конференций.
Реализация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России и используются в производственной деятельности ООО «Технологии безопасности», ООО «Пожинжиниринг», ООО «Пожоборонпром Плюс», ЗАО «Научно-производственное объединение специальных материалов» и на Красносельской нефтебазе ООО «Киришиавтосервис».
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложения.
Анализ теоретических и экспериментальных работ по гашению пламени в промышленных огнепреградителях
Принимая во внимание обобщенные данные, изложенные в нормативных документах и научных изданиях [5, 119, 186, 208], все огнепреградители в зависимости от места их установки на технологических системах объектов нефтегазового комплекса можно классифицировать на: резервуарные, устанавливаемые на дыхательной арматуре резервуаров, мерников, промежуточных емкостей, напорных баков и других аппаратов, внутренний объем которых сообщается с атмосферой. Данные огнепреградители должны обеспечивать защиту от проникновения пламени внутрь оборудования при воспламенении горючих паров у дыхательных устройств. Для таких огнепреградителей характерно то, что длина присоединительного патрубка (трубопровода), предназначенного для сообщения с атмосферой, не превышает трех его внутренних диаметров [5]. коммуникационные, устанавливаемые на межаппаратурных и межцеховых коммуникациях и предназначенные для локализации горения на определенном участке технологической схемы, когда появление пламени возможно с обеих сторон огнепреградителя. При этом по обоим концам таких огнепреградителей располагаются трубопроводы, длина которых больше трех диаметров присоединительного патрубка. сбросные, устанавливаемые на трубах для выброса горючих газов в атмосферу или на факел. Они, также как и резерву арные, должны обеспечивать защиту от проникновения пламени внутрь системы.
Резервуарные и сбросные огнепреградители находятся в наиболее благоприятных условиях в отношении локализации горения, так как при поджигании горючей смеси снаружи нет условий для разгона пламени. При этом не происходит также и заметного повышения давления, так как продукты сгорания свободно поступают в атмосферу.
Для резервуарных огнепреградителей наиболее вероятны три случая взаимодействия пламени с пламегасящим элементом [124, 129]:
1. После инициирования горения горючая смесь к огнепреградителю не поступает.
В данном случае для локализации горения достаточно охладить слой пламени, соизмеримый с шириной зоны химической реакции. При этом температура пламегасящего элемента практически не изменяется, поскольку количество передаваемого ему тепла невелико. Вместе с тем скорость теплоотдачи должна быть высокой, так как контакт пламени с огнепреградителем непродолжителен.
2. После воспламенения в зону горения через огнепреградитель постоянно поступает горючая смесь. В этом случае существенное влияние на эффективность огнепреградителя оказывает скорость истечения парогазовой среды. Если она не превышает скорости распространения пламени, то процесс горения непродолжителен. В противном случае над огнепреградителем образуется факел, от которого за счет теплопроводности и излучения часть тепла передается пламегасящему элементу. Это приводит к его разогреву и может существенно изменить тушащие свойства насадки или вызвать воспламенение смеси в защищаемом объеме.
3. В определенных условиях через пламегасящий элемент могут проходить продукты горения (например, при откачке жидкости из резервуара). При этом в зависимости от теплопроводности смеси температура пламегасящего элемента и продуктов горения может возрастать до значений, при которых существует опасность воспламенения паров в защищаемом объеме.
При локализации пламени коммуникационными огнепреградителями возможны следующие ситуации [93, 124, 129]:
В случае инициирования горения вблизи открытого конца трубы (рис. 1.10, а) пламя будет распространяться вплоть до огнепреградителя по неподвижной или медленно движущейся к огнепреградителю смеси. Горячие продукты сгорания будут выходить через открытый конец трубы, а не через пламегасящую насадку. Поэтому в данном случае огнепреградитель можно рассматривать как резервуарный. Если взрывоопасная смесь склонна к детонации, то в достаточно длинном трубопроводе пламя на некотором удалении от открытого торца может ускориться, что вызовет движение продуктов сгорания за фронтом пламени.
При инициировании горения вблизи закрытого конца трубопровода (рис. 1.10, б) также возможно образование детонационной волны, однако в этих условиях огнепреградитель должен не только погасить быстродвижущееся пламя, но и охладить продукты сгорания. Кроме того, он должен обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять давлению, возникающему при движении газа, а пламегасящии элемент должен иметь определенный запас надежности, так как возможно сжатие несгоревшеи смеси в огнепреградителе до подхода пламени.
Горячие продукты сгорания будут вытесняться через огнепреградитель, который должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать их давление. Приведенный пример может наблюдаться в газоуравнительной системе резервуаров, если огнепреградитель установлен непосредственно на емкости.
В практических условиях парогазовая смесь может передвигаться в системе как при взрыве, так и после взрыва. Если смесь движется слева направо (рис. 1.10, г) с большой скоростью, пламя не может распространиться в направлении, противоположном потоку. Однако при этом возможна стабилизация пламени на срезе трубы, на сужениях внутри трубы или возле огнепреградителя. Стабилизация пламени на огнепреградителе происходит и при равенстве скорости горения и скорости течения газа. Это приводит к разогреву пламегасящего элемента до опасной температуры, при которой возможно воспламенение горючей смеси в защищаемом объеме.
Эффективность коммуникационных огнепреградителей во многом будет зависеть от режимов распространения пламени. Из теории горения известно, что существуют дефлаграционный, детонационный и нестационарные режимы горения.
Дефлаграционное горение характеризуется постоянной дозвуковой скоростью распространения пламени и понижением давления из-за расширения продуктов сгорания. Оно может реализовываться только в короткой трубе, закрытой с одного конца, при поджигании с открытой стороны. В закрытых системах такой режим практически не наблюдается.
Процесс горения всегда сопровождается выделением большого количества тепла и движением несгоревшего газа, который в свою очередь возмущает фронт пламени. При этом возникают нестационарные режимы горения. Математический аппарат, позволяющий определить параметры нестационарного горения, описан в литературе [63]. Нестационарные пламена могут быть как ускоряющимися, так и не ускоряющимися.
Экспериментальные исследования сетчатых и канальных пламегасящих элементов огнепреградителей
В настоящее время в Российской Федерации требования к конструкциям и методам испытаний промышленных огнепреградителеи регламентируются ГОСТ Р 12.3.047 - 98 и ГОСТ Р 53323 - 2009 [4,5].
В соответствии с положениями ГОСТ Р 12.3.047 - 98 [4] основным расчетным параметром конструкции огнепреградителя является критический диаметр гашения пламени dKp, который является характеристикой паро- или газовоздушной горючей смеси и представляет собой минимальный диаметр канала пламегасящего элемента, через который может распространиться пламя. Положения данного нормативного документа применительно к расчету dKp основаны на теории распространения пламени, описанной в работе [31]. Для расчета критического диаметра гашения используется формула (1.3), приведенная в разделе 1.3 диссертации.
Учитывая, что выражение (1.3) получено исходя из ряда допущений и упрощений, при разработке конструкций огнепреградителеи безопасный диаметр огнегасящего канала d e3 принимают в два раза меньше расчётного критического диаметра гашения пламени, вычисленного через критерий Пекле. Окончательно диаметр огнегасящего канала определяют экспериментально.
Величину d6e3 на практике используют для расчета размеров гасящих каналов различной конфигурации с учетом конструктивных особенностей пламегасящих элементов огнепреградителеи. Так, в кассетных огнепреградителях значение dge3 является высотой в треугольных огнегасящих каналах, полученных намоткой на центральный стержень сложенных вместе плоской и гофрированной лент. В пластинчатых огнепреградителях ширина плоского канала (щелевого зазора) должна быть в 1,4 раза меньше d e3. В огнепреградителях с насадкой из гранулированных материалов для того, чтобы был достигнут эффект гашения пламени, диаметр гранул dzp должен подбираться с учетом соотношения dce3 = 0,36dep
Высота пламегасящих элементов (длина каналов L) в настоящее время для каждой конкретной конструкции огнепреградителя определяется только опытным путем и, как правило, принимается с большим запасом.
В свою очередь ГОСТ Р 53323 — 2009 «Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний» регламентирует следующие требования к огнепреградителям и искрогасителям.
Огнепреградители и искрогасители должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 53323, ГОСТ 12.2.047, ГОСТ 14249, ГОСТ 15150, а также других нормативных документов, утвержденных в установленном порядке.
На корпусе огнепреградителя (искрогасителя) и пламегасящем элементе должны отсутствовать вмятины, царапины и дефекты антикоррозионного покрытия.
Массогабаритные характеристики огнепреградителя (искрогасителя) должны соответствовать значениям, указанным в технической документации.
В технической документации на огнепреградитель (искрогаситель) должны быть указаны виды горючих смесей, для защиты которых предназначено изделие, и условия применения (давление, температура).
Конструктивные элементы огнепреградителя (искрогасителя) должны выдерживать силовые нагрузки, возникающие при распространении пламени, с давлением, на которое рассчитано изделие.
Огнепреградитель (искрогаситель) должен быть работоспособен в течение всего периода эксплуатации в диапазоне температур, приведенном в технической документации.
Конструкция огнепреградителя (искрогасителя), предназначенного для эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды, должна исключать возможность замерзания воды (влаги) в каналах пламегасящего элемента.
Конструкция огнепреградителя должна обеспечивать возможность его периодической чистки, если устройство предназначено для работы при наличии в газовом потоке или жидкости механических примесей или паров жидкостей, склонных к кристаллизации или полимеризации.
Корпус огнепреградителя (искрогасителя), а также разъемные и неразъемные соединения должны обеспечивать герметичность (не должны пропускать пламя, искры и продукты горения) не ниже герметичности защищаемого устройства.
Размер щелевых зазоров между стенкой корпуса огнепреградителя (искрогасителя) и пламегасящим элементом не должен превышать безопасный диаметр канала.
Огнепреградители (искрогасители) должны быть стойкими к наружному и внутреннему коррозионному воздействию сред, для работы в которых они предназначены. Конструкция огнепреградителя (искрогасителя) должна предусматривать возможность внутреннего осмотра, замены пламегасящего элемента, удобство монтажа. Конструктивные элементы огнепреградителя (искрогасителя) не должны деформироваться при локализации пламенного горения в течение времени, равного времени сохранения работоспособности при воздействии пламени.
При использовании в огнепреградителях (искрогасителях) в качестве пламегасящего элемента гранулированного материала гранулы должны иметь шарообразную или близкую к ней форму. Гранулы должны быть изготовлены из жаропрочных и коррозионно-стойких материалов.
Экспериментальное исследование огнестойкости сетчатых огнепреградителей
В том случае, если нагрев горючей смеси не требуется и эксперименты могут проводиться при температуре окружающей среды, приготовление паровоздушной смеси может осуществляться в самих камерах 44 и 45. Для этого предварительно расчетом определяется стехиометрическая концентрация паров и количество легковоспламеняющейся жидкости, которое необходимо заливать в камеры для создания этой стехиометрической концентрации. Необходимое количество жидкости в каждую из камер вводится через штуцера 48 и 49, после чего на них навинчиваются герметичные заглушки. Далее в каждой камере включаются встроенные вентиляторы 50 и 51, которые обеспечивают интенсификацию процесса испарения жидкости и равномерное перемешивание смеси. После того, как датчики газового анализа 53 и 54 зафиксируют достижение стехиометрической концентрации паров в каждой из камер, вентиляторы выключаются и на установке можно проводить испытания огнепреградителей на пламенепроницаемость.
Для приготовления газовоздушных горючих смесей стехиометрического состава в экспериментальном стенде используются баллон 21 с горючим газом и компрессор 26 с ресивером 27. Смешение горючего газа с воздухом предусмотрено в газовом пульте 32, оборудованном датчиками давления, расхода и газового анализа. Давление и расход горючего газа и воздуха регулируются автоматически таким образом, чтобы в камерах 44 и 45 горючая газовоздушная смесь имела стехиометрическую концентрацию, фиксируемую датчиками газового анализа 40, 53 и 54.
Горючая смесь подается в термостат 35, оборудованный задатчиком температуры. При этом температура в каждом конкретном случае задается с учетом максимальной температуры среды, в которой будет эксплуатироваться испытуемый огнепреградитель.
Подготовленная газовоздушная смесь для проведения испытаний подается в камеры 44 и 45. Расход смеси контролируется расходомером 38. Когда обе камеры заполнены горючей смесью с требуемой концентрацией и температурой, всё оборудование блока подготовки газовоздушной смеси останавливается, краны закрываются, и подача горючей смеси прекращается. Если датчики газового анализа 53 и 54 показывают разные значения концентрации горючего газа, то включаются вентиляторы 50 и 51, которые обеспечивают равномерное перемешивание смеси. После достижения одинаковых значений концентрации горючего газа в каждой из камер, вентиляторы выключаются и установка готова для проведения испытаний огнепреградителя на пламенепроницаемость.
Схема экспериментального стенда построена таким образом, что блоки подготовки газовоздушных и паровоздушных горючих смесей являются изолированными друг от друга. В период подготовки газовоздушной горючей смеси перекрывной кран 20 закрыт. Тем самым исключается возможность попадания в камеры 44 и 45 паров из системы подготовки паровоздушной смеси. В свою очередь при подготовке паровоздушной горючей смеси, закрывается кран 37 и тем самым отсекается блок подготовки газовоздушной смеси.
Все используемые в системах подготовки горючих смесей приборы контроля концентрации, температуры, расхода и давления обеспечивают вывод информации на компьютер с возможностью сохранения всех данных. Приборы имеют класс точности 0,5.
В целях безопасности при проведении испытаний для исключения проскока пламени из камеры 44 в блоки подготовки паровоздушных и газовоздушных горючих смесей, предусмотрен защитный огнепреградитель 41 с предохранительной мембраной.
Экспериментальная установка, используемая непосредственно для проведения испытаний на пламегасящую способность, состоит из двух цилиндрических камер 44 и 45. Опоры установки выполнены квадратными, что позволяет размещать её как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях. Расположение установки в вертикальном положении соответствует размещению исследуемого огнепреградителя на дыхательной арматуре емкостных аппаратов и на вертикальных технологических коммуникациях с газо- или паровоздушными смесями. В горизонтальном положении установка позволяет проводить испытание огнепреградителя подобно его расположению на горизонтальных технологических коммуникациях.
Каждая из камер снабжена устройствами зажигания 52, размещенными равномерно по высоте, что позволяет определять влияние места расположения источника инициирования горения на процесс гашения пламени. Кроме того, устройства зажигания предусмотрены в каждой камере, что позволяет испытывать огнепреградители в условиях распространения пламени как сверху вниз (при зажигании смеси в верхней камере), так и снизу вверх (при зажигании смеси в нижней камере).
Обе камеры снабжены патрубками 58 и 59 с откидными заслонками, которые позволяют проводить испытания с отводом продуктов сгорания из камер и без отвода продуктов сгорания.
Испытания огнепреградителей на пламенепроницаемость проводятся в следующей последовательности. Перед проведением экспериментов проверяется правильность положения всех кранов (закрыты или открыты), работоспособность компрессоров, термостатов, воздуходувки, калорифера, исправность системы зажигания, вентиляторов и измерительных приборов. После этого в пространстве между патрубками камер 44 и 45 устанавливается испытуемый огнепреградитель 47. Для размещения между камерами огнепреградителей различного типоразмера, каждая камера снабжается сменными блоками. В торцевой части огнепреградителя в центре и по краям со стороны контрольной камеры располагаются датчики контроля температуры 57. В зависимости от особенностей последующего размещения огнепреградителя на технологических системах промышленных объектов, экспериментальная установка располагается в вертикальном или горизонтальном положении. Посредством воздуходувки 17 проводится продувка камер 44 к 45. После этого откидные заслонки на патрубках 58 и 59 прижимаются фиксаторами.
Далее, в зависимости от того, какие смеси будут использоваться для проведения испытаний (газо- или паровоздушные), соответственно включаются и выводятся на заданный температурный режим термостаты 12, 35, калорифер 18 и осуществляется подготовка горючих смесей согласно описанной выше процедуре.
После того, как в обеих камерах 44 и 45 создана паро- или газовоздушная смесь стехиометрического состава, в зависимости от требуемых условий проведения эксперимента заслонки на патрубках 58 и 59 могут освобождаться от фиксаторов или быть закрытыми.
При проведении испытаний всегда одна камера будет являться взрывной (камера первичного воспламенения или камера сгорания), а другая — контрольной (камера вторичного воспламенения). На рисунке 2.2 условно камера 45 обозначена как камера сгорания, а камера 44 — контрольная камера. При этом пламя при проведении испытаний по такой схеме будет распространяться сверху вниз, что характерно для резервуарных огнепреградителей, устанавливаемых на дыхательной арматуре для предотвращения распространения горения извне внутрь емкостных аппаратов.
Для воспламенения горючей смеси в камере 45 на одну из свечей зажигания 52 подается напряжение. При этом следует учитывать, что наиболее худшие условия с точки зрения локализации пламени создаются при воспламенении горючей смеси в непосредственной близости от испытуемого огнепреградителя, так как в этом случае смесь сгорает практически полностью и через огнепреградитель проходит наибольшее количество продуктов сгорания. Если же воспламенение проводить от свечи зажигания, расположенной на удаленном расстоянии от огнепреградителя, то часть исходной смеси будет выталкиваться продуктами сгорания. То есть через огнепреградитель будет проходить меньшее количество нагретых продуктов сгорания. При этом важно отметить, что установка позволяет исследовать влияние этих факторов, меняя условия проведения экспериментов.
После воспламенения смеси в камере сгорания 45 о проскоке пламени в контрольную камеру 44 судят по повышению давления, которое фиксируется датчиком 61, и по открытию заслонки на патрубке 58 (если по условиям проведения эксперимента она освобождается от фиксатора и предусматривается сброс продуктов горения из камеры). Повышение температуры пламегасящего элемента фиксируется датчиками 57. Используемые при проведении экспериментов приборы контроля температуры и давления обеспечивают вывод информации на компьютер с возможностью сохранения всех данных. Приборы имеют класс точности 0,5.
При отсутствии проскока пламени в контрольную камеру проводится проверка воспламеняемости в ней смеси подачей напряжения на одну из свечей зажигания, и уже по факту взрыва делается вывод о задержании пламени испытываемым огнепреградителем. Огнепреградитель считается прошедшим испытание на пламегасящую способность, если в трех последовательных испытаниях через него не зафиксировано проскока пламени.
Положения, регламентирующие технические требования к конструкциям огнепреградителей
В основу метода положена гипотеза о том, что повышение огнестойкости огнепреградителей может быть достигнуто за счет реализации в пламегасящей насадке одновременно нескольких способов прекращения горения - охлаждение, ингибирование и флегматизация.
Охлаждение горящей паро- или газовоздушной смеси в насадке из гранулированных материалов обеспечивается за счет теплоотвода к стенкам каналов, образованных между гранулами. Эффект ингибирования горения может быть достигнут за счет воздействия на зону реакции хладонов, предварительно депонированных в поры гранул и выделяемых при повышении температуры. В свою очередь флегматизация горючей смеси может быть обеспечена за счет десорбции из гранул воды или инертных газов вследствие повышения температуры в насадке при воздействии пламени.
Для апробации данного метода была разработана конструкция огнепреградителя, представленная на рисунке 3.26.
Огнепреградитель состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, в котором между поддерживающими решетками 5 расположена пламегасящая насадка 6 из пористых гранул, насыщенных ингибиторами или флегматизаторами горения и заключенных в желатиновую оболочку, разрушающуюся под воздействием высокой температуры.
По высоте пламегасящая насадка разделена металлическими решетками 7, предназначенными для равномерного распределения теплового потока в поперечном сечении огнепреградителя и способствующими теплоотводу к корпусу.
Внутренние стенки корпуса облицованы стальной лентой 4, имеющей выдавленные на ее поверхности выступы, выполненные в форме полусферы. Такое техническое решение позволяет обеспечить плотное прилегание гранул насадки к поверхности корпуса и исключает возможность проскока пламени между поверхностью стенки корпуса огнепреградителя и пламегасящеи насадкой.
В качестве пористых гранул предложено использовать прочные высокопористые материалы - цеолит и гранулированный пористый оксид алюминия.
Цеолиты представляют собой алюмосиликаты, содержащие в своем составе окислы щелочных и щелочноземельных металлов, отличающиеся строго регулярной структурой пор, которые в обычных температурных условиях заполнены молекулами воды. Цеолиты в переводе с греческого означают «кипящие камни», поскольку вода из них выделяется при нагреве до высокой температуры и цеолиты «кипят». Процесс выделения воды из цеолитов носит эндотермический характер. В природе цеолиты распространены достаточно широко и залегают неглубоко в земной коре.
Основным способом получения гранулированного оксида алюминия является переосаждение технического гидроксида алюминия (гидраргиллита). Однако данный способ достаточно громоздок и дорог, при этом образуется большое количество сточных вод. Поэтому был принят способ терморазложения механически активированного гидраргиллита.
Исходное вещество для получения пористого оксида алюминия -технический гидроксид алюминия (ТГА, гидраргиллит), являющийся промежуточным продуктом глиноземного производства. Он содержит примеси - окислы железа, щелочных и щелочно-земельных металлов. Технический гидроксид алюминия, подвергнутый тонкому диспергированию механическим путем, приобретает способность в композиции с пептизаторами (ортофосфорная и азотная кислоты) образовывать пластичные, формуемые массы, пригодные для изготовления гранул.
Гранулы, подвергнутые термообработке, имеют высокую механическую прочность и водостойкость. Количество и вид пептизатора, время и температура проведения термоактивации определяют пористую структуру полученных гранул, их сорбционные и прочностные свойства, что позволяет депонировать в насадку огнепреградителя различные вещества в зависимости от размеров их молекул.
Сначала исходный продукт измельчается на шаровой мельнице до получения фракции размером не более 5 мкм. Для определения достаточной продолжительности помола используется метод седиментационного анализа, позволяющий определить степень дисперсности и характер распределения частиц по размерам (фракционный состав образца). Затем производится гидратация и пептизация (воздействие кислотой) измельченного порошка, формование и сушка гранул, температурная активация и депонирование флегматизатора (ингибитора) в гранулы.
