Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ специфики перевозки легковоспламеняющихся жидкостей 10
1.1 Особенности транспортировки железнодорожным транспортом опасных грузов класса 3 – легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) 10
1.2 Опасность возникновения фрикционных искр на железнодорожном транспорте 22
1.3 Механизмы разрушения конструкционной стали и образования фрикционных искр 42
1.4 Цель и задачи исследования 53
ГЛАВА 2 Определение возможности образования взрывоопасных зон 54
2.1 Общие виды опасности легковоспламеняющихся жидкостей с позиций современного состояния теории горения 54
2.2 Характеристика грузового парка для перевозки светлых нефтепродуктов 57
2.3 Анализ взрывоопасных зон при заполнении цистерн нефтегрузами 62
2.4 Оценка размеров взрывоопасной зоны около люка железнодорожной цистерны в закрытом помещении 70
Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3 Исследование возможности фрикционного воспламенения при транспортировке легковоспламеняющихся жидкостей железнодорожным транспортом 75
3.1 Оценка зажигательной способности фрикционных искр .75
3.2 Экспериментальная оценка искрообразующей способности материалов в среде горючих газов и паров 91
3.3 Экспериментальное исследование процесса искрообразования по отношению к различным материалам 95
3.4 Оценка минимальной энергии зажигания фрикционной искры .106
Выводы по главе 3 116
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование искрообразующей способности металлов .117
4.1 Исследование процесса искрообразования при резке металлов .117
4.2 Экспериментальное определение температуры нагрева поверхностей металла при фрикционном нагреве .124
4.3 Исследование зажигающей способности фрикционных искр по отношению к твердым материалам 130
4.4 Зажигающая способность фрикционных искр по отношению к горючим газам и парам .132
Выводы по главе 4 136
ГЛАВА 5 Результаты внедрения диссертации 137
5.1 Характерные аварии с железнодорожными цистернами 137
5.2 Методы обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования на железнодорожном транспорте 140
5.3 Обеспечение пожаровзрывобезопасности котлов цистерн при заполнении горючими жидкостями 143
5.4 Пожаровзрывобезопасность телевизионного видеоскопа (ТВП) «Крот» при использовании в емкостях с ЛВЖ 148
Выводы по главе 5 156
Заключение 157
Список литературы
- Опасность возникновения фрикционных искр на железнодорожном транспорте
- Характеристика грузового парка для перевозки светлых нефтепродуктов
- Экспериментальное исследование процесса искрообразования по отношению к различным материалам
- Исследование зажигающей способности фрикционных искр по отношению к твердым материалам
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Большую опасность в грузовом перевозочном процессе представляют взрывоопасные и пожароопасные грузы, номенклатура которых включает около 3000 наименований. Вследствие этого велика вероятность возникновения аварийных ситуаций при их перевозке. Аварии и крушения на железных дорогах наносят большой материальный ущерб железнодорожному транспорту и экономике России, являются причиной длительных перерывов в движении поездов, а иногда приводят к значительным человеческим жертвам.
Особо опасными являются аварии, которые сопровождаются пожарами, взрывами цистерн с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями (далее - ЛВЖ и ГЖ), так как часто принимают крупные масштабы. Аварийные ситуации показывают необходимость прогноза по определению потенциально опасных участков железных дорог, возможного характера развития аварий, катастроф и их последствий для данного участка. Такой прогноз должен базироваться на выявлении и изучении возможных и характерных источников -факторов, способствующих развитию аварии на данном участке.
Так во время заполнения цистерн на железнодорожных нефтеналивных эстакадах светлыми нефтепродуктами происходит испарение в открытое пространство паров ЛВЖ с образованием газопаровоздушной смеси (ГПВС). Это происходит, поскольку люк-лаз цистерны, поданной на эстакаду под налив открытым способом, находится в открытом состоянии продолжительное время. При неблагоприятных климатических условиях это приводит к быстрому формированию взрывоопасных зон, которые, превышая размеры вагона-цистерны, перекрывают друг друга и равны по протяжённости длине всего состава, поданного под налив. В нормативных документах не регламентированы размеры взрывоопасных зон, а также условия их перекрывания. Однако для прогнозирования чрезвычайной ситуации (далее -ЧС) необходимо знать о размерах взрывоопасных зон образующихся от заполняемых цистерну ЛВЖ и ГЖ.
При наличии источника зажигания, которым могут быть фрикционные искры - искры от удара и трения, возможно развитие ЧС с каскадным характером распространения пламени. Фрикционные искры возникают при неправильном применении ручного инструмента для съёма запорно-пломбировочных устройств (далее - ЗПУ) (например, во время удара), предназначенных для пломбирования люков котлов железнодорожных цистерн, а также при падении инструментов на элементы конструкции котла цистерны. В свою очередь на склонность материалов к искрообразованию, а также на зажигательную способность образующихся искр влияют механические, теплофизические свойства и свойства материалов, зависящие от времени эксплуатации. Последний фактор тем более усугубляет эту ситуацию, ввиду наличия парка нефтебензиновых цистерн с продленным сроком эксплуатации, количество которых превышает 32000 единицы и является предиктором масштаба возможной аварийной ситуации.
В российских публикациях подробная прямая статистика относительно причин ЧС с нефтебензиновыми цистернами, связанных с наличием фрикционных искр отсутствует. Однако известно, что в странах западной Европы эта причина пожаров на железнодорожном транспорте составляет 20 %.
Поскольку по данным ФГП «Ведомственная охрана железнодорожного
транспорта Российской Федерации» в 2015 году на железнодорожном
подвижном составе произошло 97 пожаров, обеспечение
пожаровзрывобезопасности котлов железнодорожных цистерн для перевозки ЛВЖ и ГЖ на основе предупреждения фрикционного искрения является актуальной проблемой.
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Теоретические представления о процессе воспламенения ГПВС в результате фрикционного искрения весьма разрозненны и противоречивы.
Для совершенствования методологии обеспечения фрикционной безопасности на железнодорожном транспорте необходимо изучение процесса фрикционного воспламенения ГПВС.
В трудах учёных СИ. Таубкина, В.И. Горшкова, А.Я. Корольченко, Б.В. Канторовича, А.В. Таланова, С. Кумагаи, исследованы особенности возникновения, условия протекания и последствий пожара и взрыва, зависящих от свойств, веществ и материалов, источников загорания. Теоретическими основами оценки и снижения пожаровзрывоопасности технологических процессов занимались ученые Ю.Н. Шебеко, В.Ю. Навценя, Д.В. Ботвенко, П.П. Щеглов и другие. Большой вклад в исследования фрикционной опасности внесли российские и зарубежные исследователи И. Г. Ищук, Г.А Поздняков, А.В. Трубицын, Л.Я. Лихачев, Ю.И. Липин, Н.Г. Кочерга, Б.Ф. Кирин, Е.З. Позин, СЕ. Чирков, В.Г. Мерзляков, Л.Б. Глатман, В.З. Меламед и др.
Вопрос возникновения фрикционных искр и зажигание ими ГПВС применительно к котлам железнодорожных цистерн для перевозки ЛВЖ и ГЖ исследован не достаточно полно.
Цель исследования - научное обоснование и разработка практических рекомендаций по обеспечению пожаровзрывобезопасности котлов железнодорожных цистерн на основе предупреждения фрикционного искрения при соударении инструментов с ЗПУ и корпусом цистерны.
Задачи исследования:
анализ возможности образования взрывоопасных зон и оценка их размеров около горловин железнодорожных цистерн, наполняемых открытым способом;
разработка алгоритма оценки зажигающей способности фрикционных искр;
- экспериментальное исследование процесса искрообразования от
конструкционных материалов и материалов запорно-пломбировочных
устройств;
- анализ зажигательной способности фрикционных искр, образующихся
при соударении материалов ЗПУ и инструмента;
обоснование практических рекомендаций по обеспечению пожаровзрывобезопасности котлов железнодорожных цистерн.
Научная новизна работы.
1. Разработана модель перекрывания взрывоопасных зон ГПВС около
открытых люков котлов железнодорожных цистерн.
-
Разработан алгоритм оценки зажигательной способности фрикционных искр.
-
Выявлена зависимость минимальной энергии зажигания фрикционной искры материала ЗПУ и конструкционных материалов от диаметра и скорости частиц.
Теоретическая значимость работы.
Результаты работы позволяют научно обосновывать меры пожарной безопасности в части выбора материалов ЗПУ и выявлять возможность перекрывания взрывоопасных зон при наливе ЛВЖ и ГЖ, способствующую каскадному характеру распространения горения по сцепке вагонов-цистерн.
Практическая значимость работы.
1. Рассчитанные границы взрывоопасных зон ГПВС позволяют
устанавливать предельное время нахождения заполненной цистерны в
открытом состоянии.
-
Предложен алгоритм оценки зажигающей способности фрикционных искр, который на основе критерия искробезопасности позволяет давать рекомендации по выбору материалов для ЗПУ.
-
Выявлены материалы, непригодные для изготовления ЗПУ ввиду их высокой склонности к искрообразующей способности.
4. Обосновано предложение по использованию критерия
искробезопасности в качестве дополнительного критерия продления срока
службы вагонов-цистерн.
5. Разработаны новые практические рекомендации по обеспечению
пожарной безопасности котлов железнодорожных цистерн при сливе-наливе
ЛВЖ и ГЖ.
Методология и методы исследования.
В работе использован информационно-аналитический метод исследования, системный анализ, моделирование и теоретический анализ теплофизических и информационных процессов.
Положения, выносимые на защиту.
-
Модель формирования перекрывающихся взрывоопасных зон ГПВС около открытых люков котлов железнодорожных цистерн.
-
Алгоритм оценки зажигающей способности фрикционных искр.
-
Экспериментальные результаты искрообразующей способности материалов ЗПУ и элементов конструкции котла цистерны.
-
Практические рекомендации по обеспечению пожарной безопасности котлов железнодорожных цистерн для перевозки ЛВЖ и ГЖ.
Степень достоверности обеспечена корректным применением апробированных методов исследований, использованием измерительного оборудования, прошедшего поверку и откалиброванного для соответствующих условий, и подтверждается хорошей соответствием расчетных данных экспериментальным.
Личный вклад автора в проведенное исследование.
Соискатель самостоятельно обобщил, систематизировал и развил теоретические представления по искрообразующей способности металлов; обобщил расчетные данные по взрывоопасным зонам, образующихся при наливе ЛВЖ и ГЖ в котлы железнодорожных цистерны; поставил и провёл серию экспериментов по искрообразующим свойствам конструкционных материалов, а также по зажигательной способности фрикционных искр; разработал рекомендации по выбору материалов для изготовления запорно-пломбировочных устройств.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XV научно-практической конференция «Безопасность движения поездов» (Москва, 2014); на
международной научной конференции «Наука современности» (Москва, 2015).
Результаты исследований внедрены в АО «ИПК «СТРАЖ» и используются при обучении студентов бакалавриата направления 20.03.01 Техносферная безопасность МГУПС (МИИТ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации.
Опасность возникновения фрикционных искр на железнодорожном транспорте
Главными особенностями эксплуатации железнодорожного транспорта являются круглосуточная его работа и заметное влияние на окружающую среду во всех географических поясах России. Основную роль в определении состояния безопасности человека и окружающей среды на железнодорожном транспорте играет перевозка опасных грузов.
Рост добычи нефти и выработки нефтепродуктов, повышение их удельного веса в топливном балансе страны, бурное развитие химической промышленности, в том числе производства жидких химических продуктов, вызвали значительное увеличение перевозок наливных грузов железнодорожным транспортом. На железнодорожном транспорте ежегодно происходят сотни инцидентов с опасными грузами: утечки нефтепродуктов, химических, ядовитых и других аварийно-химически опасных веществ, представляющих угрозу для безопасности человека и экологии в целом.
Практически каждое транспортное происшествие, будь то сход подвижного состава, утечка химически активных веществ, пожар (а зачастую эти события являются этапами одной крупной аварии или катастрофы) приводит к возникновению опасной для жизни человека и окружающей среды обстановке, не говоря уже о срыве графика движения и длительном простое поездов.
Как известно, к возникновению пожара приводит одновременное выполнение следующих условий: наличие горючего вещества, окислителя и источника зажигания. В силу специфики технологических процессов во многих отраслях промышленности горючее и окислитель обычно присутствуют вместе, или, во всяком случае, окислитель (воздух) контактирует с реактором, в котором находится горючее. Поэтому на всех пожаровзрывоопасных производствах должны быть созданы условия, предотвращающие накопление горючих газов, а также предприняты меры по исключению появления потенциальных источников зажигания в виде открытого огня, электрических зарядов статического электричества, искр удара и трения, нагретых поверхностей и т.д.
Опасные грузы по железным дорогам транспортируются в универсальном или специальном подвижном составе. Допускаемые типы вагонов и контейнеров для перевозок конкретных видов опасных грузов устанавливаются техническими условиями, стандартами для конкретной продукции, и правилами перевозок грузов.
Жидкие, сжиженные и газообразные опасные грузы (а также некоторые виды твердых веществ) в случаях, предусмотренных правилами перевозок, транспортируются в вагонах-цистернах и контейнерах-цистернах.
Пожары с последующими взрывами на объектах железнодорожного транспорта могут возникать при нарушении технологического режима, из-за неосторожного обращения с огнем, в результате допущенных нарушений при эксплуатации, а также других причин.
Проводимые на железнодорожном транспорте организационные мероприятия с целью недопущения возгорания и взрыва газо- и паровоздушых смесей сводятся к четкому и безапелляционному соблюдению инструкций по безопасной эксплуатации, ремонту и иных технологических операций вагонов-цистерн. Технические же требования безопасности на устройства для сливоналивных операций предписывают эксплуатацию последних только в исправном состоянии, а также периодические осмотры и освидетельствования.
Согласно [1], из анализирующихся 122 крупнейших аварий, имевших место на химических производствах, 74 - это аварии с пожарами и взрывами. При этом, хотя выявление истинного источника зажигания при очень крупных авариях затруднено, не менее четверти пожаров и взрывов обусловлено фрикционными искрами. В Германии с 1965 по 1985 г.г. имели место 426 взрывов [2]. Основной причиной названы механические искры (26 %). В деревообрабатывающей промышленности 27 % взрывов обусловлено механическими искрами, в пищевой промышленности - 23 %. В силосах и бункерах 16 % взрывов обусловлено механическими искрами и 28 % - тлеющими очагами. В пылевых коллекторах и сепараторах 41 % взрывов обусловлен механическими искрами и 11 % -тлеющими очагами. На мельницах и крупорушках 60 % возгораний вызвано механическими искрами, 13 % - механическим нагревом при трении, хотя механические искры и нагрев трением сопутствуют друг другу. При шлифовании 90 % возгораний обусловлено механическими искрами и 5 % - механическим нагревом при трении.
При этом пожары и взрывы, вызванные фрикционными искрами, часто сопровождаются гибелью большого числа людей и огромным экономическим ущербом. Так, взрыв в Нью-Йорке 10 февраля 1973 г. резервуара для хранения сжиженного природного газа объемом 95 тыс. м3 при проведении ремонтных работ привел к гибели 40 человек из 42 участвовавших в работах [1]. При взрыве в Порт-Хадсоне (шт. Миссури, США) 9 декабря 1970 г. парового облака, образовавшегося в результате разрыва трубопровода с жидким пропаном (разлилось примерно 60 т жидкого пропана; причина взрыва - искры в оборудовании для глубокого охлаждения) [1], удалось избежать огромных человеческих жертв только потому, что взрыв произошел спустя 20 минут с момента разрыва трубопровода, что позволило эвакуировать людей из опасной зоны. Кроме того, паровое облако относилось ветром в сторону о населенных районов. Тротиловый эквивалент взрыва составил 64 т.
Статистических данных, аналогичных [3], для России нет. Однако, если принять, что в России, как и за рубежом, фрикционные искры являются источником зажигания приблизительно в 25 % случаев пожаров на промышленных объектах, то можно оценить количество таких пожаров. Согласно данным [3], в 1994 г. на территории Российской Федерации произошло 22 крупных пожара на промышленных объектах, в 1995 г. - 25 крупных пожаров, в 1996 г. - 32, в 1997 г. - 14, в 1998 г. - 17. Таким образом, за 5 лет произошло 88 крупных пожаров на промышленных объектах, из них около 20 при указанном выше допущении вызваны фрикционными искрами. Последняя крупная авария, вызванная воздействием фрикционных искр, произошла в феврале 1999 г. в Томске, когда при проведении ремонтных работ взорвалась цистерна из-под фенола. В этой аварии погибло двое рабочих, производивших ремонт.
Необходимо отметить, что системы детектирования искр не могут в полной мере защитить предприятия [4]. В силу этого нормативные документы содержат требование на применение искробезопасных материалов для производства многих видов работ. Так, согласно 42 Инструкции [5], все работы по мелкому ремонту элементов не дегазированной цистерны производятся неискрящим инструментом, а рабочая часть инструментов и приспособлений из черного металла должна обильно смазываться тавотом, солидолом или другой смазкой. Применение дающих искрение электроинструментов и производство сварочных работ запрещаются. В соответствии с п. 7.2 [6], при снятии запорно-пломбировочных устройств с вагонов и цистерн возникновение искр недопустимо во избежание возгорания или взрыва перевозимого груза, а также травмирования обслуживающего персонала.
Характеристика грузового парка для перевозки светлых нефтепродуктов
В инвентарном парке грузовых вагонов совместного использования эксплуатируется свыше 188 тыс. вагонов с истёкшим сроком службы. Списанию подлежит более 25 тыс. цистерн. В течение 2012-2015 гг. нормативный срок истекает еще у 25 тыс. цистерн. В ближайшие десять лет под списание попадет около 60 тыс. цистерн, что составляет примерно одну треть от всего парка вагонов-цистерн. Нормативный срок службы цистерны составляет 32 года.
На российских железных дорогах существует процедура продления срока эксплуатации грузовых вагонов – «Положение о продлении срока службы грузовых вагонов, курсирующих в международном сообщении», - в котором детально прописан алгоритм действий по продлению сроков службы грузовых вагонов, включающий: - работы по техническому диагностированию грузовых вагонов, - работы по определению их остаточного ресурса с учетом текущего технического состояния, - разработку и выдачу технических решений, определяющих вид и объем технического обслуживания грузовых вагонов достаточный для установления нового назначенного срока службы, исходя из их остаточного ресурса и др. В соответствии с Положением, отремонтировав вагон, можно дважды продлить срок его службы – наполовину от нормативного. То есть максимальный срок службы цистерны может быть продлен до 64 лет. Сейчас в сети более 25% вагонов, срок службы которых уже однажды был продлен.
При продлении сроков службы особенно важным является обеспечение безопасности перевозок. Практическое выполнение работ по продлению сроков службы подвижного состава ведется, начиная с конца 80-х годов прошлого столетия. Однако в этом направлении есть актуальные проблемы. Одной из них является недостаточный учёт временных и климатических факторов, влияющих на изменения физико-механических свойств металлоконструкций базовых узлов цистерн, в частности снижение ударной вязкости, что повышает вероятность их хрупкого разрушения при эксплуатации за пределами нормативного срока службы и, особенно, в суровых климатических условиях.
Одним из решений обновления устаревающего парка грузовых вагонов является совершенствование процедуры продления срока их службы, которая применяется с 2001 года, что решает задачи, как безопасной эксплуатации подвижного состава, так и экономического стимулирования для обновления парка. В период с 2014 по 2016 истекает срок службы в среднем 85 тыс. вагонов. Постоянное продление сроков службы вагонов может привести к тому, что у старых вагонов одновременно истечет срок службы и возникнет дефицит парка, а к этому времени долгосрочное отсутствие заказов приведет к сокращению производственных мощностей.
Решение по совершенствованию продления срока службы вагонов не предусматривает запрета на продление их срока службы, а делает более затратным продление, поскольку предъявляются повышенные требования к объему ремонтных работ, которые производятся с вагоном перед продлением срока службы.
С целью совершенствования обеспечения безопасности производства и эксплуатации железнодорожного подвижного состава Минтрансом России подготовлен проект приказа «О внесении изменений в Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации, утвержденные приказом Министерства транспорта Российской Федерации от 21 декабря 2010 г. № 286», включающий «Положение о продлении сроков службы грузовых вагонов».
Однако, в работе [54] доказана теоретически и подтверждена экспериментально необходимость запрета продления сроков службы грузовых вагонов, так как за время эксплуатации в диапазоне температур от 0 С до 20 С происходит снижение значений величины ударной вязкости стали котла цистерны (на примере модели 15-1443) на 50%, а в диапазоне температур от 0 С до -65 С - на 70-80%.
Рост добычи нефти и ее переработки ставит перед железнодорожным транспортом повышенные требования по освоению возрастающих размеров перевозок нефтегрузов за счет ускорения оборота. Интенсификация опасных технологических процессов, рост производительности с целью получения большей прибыли требует усиление мер предупреждения чрезвычайных ситуаций.
В связи с интенсивным развитием нефтегазодобывающей промышленности широкое распространение получили технологические процессы, связанные с хранением, переработкой и транспортировкой легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛФЖ и ГЖ). Вследствие того, что указанные вещества являются пожаровзрывоопасными, технологические процессы, в которых они обращаются, характеризуются повышенной пожарной опасностью.
Наиболее часто аварийные ситуации на технологическом оборудовании, связанном с обращением ЛВЖ и ГЖ, происходят с проливами горючей жидкости в виде нефти и нефтепродуктов. Отличительной особенностью подобного рода аварийных ситуаций является то, что они могут привести к опасным последствиям: крупным пожарам, зачастую сопровождающимся взрывами, а также к загрязнению окружающей среды и человеческим жертвам. Общим свойством ЛВЖ и ГЖ является их способность при утечке разливаться на больших площадях. В этих условиях образуются значительные объёмы взрывоопасной паровоздушной смеси.
Серьёзную опасность представляет также образование паровоздушной смеси при процессе налива светлых нефтепродуктов открытым способом. Продолжительности одного цикла по наливу нефтепродуктов может быть достаточно для образования взрывоопасной зоны в периметре одной цистерны. В зависимости от физико-химических свойств ЛВЖ или ГЖ, а также точной продолжительности технологического процесса по наливу, линейные размеры взрывоопасной зоны могут достичь таких, что будут перекрываться с соседними. В этом случае возможен каскадный тип распространения пламени.
Особую опасность с точки зрения пожаровзрывоопасности представляют технологические операции по сливу и наливу легковоспламеняющихся и горючих жидкостей открытым способом, которые осуществляются на железнодорожных специальных эстакадах.
Сливоналивная железнодорожная эстакада – сооружение, расположенное возле специальных железнодорожных путей, оборудованное сливоналивными устройствами, обеспечивающее выполнение операций по сливу или наливу нефтепродуктов или сжиженного газа в железнодорожные вагоны-цистерны.
По конструктивному исполнению эстакады могут быть односторонними, обеспечивающими слив (налив) на одном железнодорожном пути, или двухсторонними, обеспечивающими слив (налив) на двух параллельных железнодорожных путях, расположенных по обе стороны от эстакады.
Перечень легковоспламеняющихся, горючих и сжиженных углеводородных газов, допущенных к перевозке в вагонах-цистернах и автомобильных цистернах, определяется в соответствии с действующими Правилами безопасности перевозок опасных грузов железнодорожным транспортом [55, 56, 57, 58] и правилами перевозок опасных грузов автомобильным транспортом [59].
Вагоны-цистерны и автоцистерны, предназначенные для сливоналивных технологических операций и перевозки легковоспламеняющихся, горючих жидкостей и сжиженных углеводородных газов, должны оснащаться арматурой, средствами контроля, сливоналивными, защитными устройствами с учетом физико-химических свойств перевозимых продуктов.
Экспериментальное исследование процесса искрообразования по отношению к различным материалам
Уравнение теплопроводности с двумя источниками (в результате растрескивания поверхностного слоя и в результате работы сил трения) с соответствующими граничными и начальными условиями используем далее для определения температуры фрикционной искры.
Предварительно для анализа энергии поджигания искры оценим [83] возможную температуру разогрева фрикционной частицы. При этом будем считать, что при ударе происходит взаимодействие двух тел как при трении тела, движущегося по поверхности другого тела с некоторой известной скоростью V0 под действием прижимной силы F.
Сила трения Fтр = kF, где к - коэффициент трения. Если под действием силы трения частица проходит путь S, то совершаемая силой трения в единицу времени работав (т.е. мощность) будет равна: А = —rb = —кг У0
Важной чертой процесса трения является дискретный стохастический характер фрикционного взаимодействия в зоне контакта соприкасающихся поверхностей. Это обусловлено наличием исходного микрорельефа вступающих в контакт поверхностей. При первичном контакте характерный размер пятен фактического пятна контакта (ФПК) будет обусловлен начальным рельефом трущихся поверхностей. В зависимости от приложенной нагрузки F и физико-механических характеристик контактирующих материалов ФПК варьируется в широких пределах от долей % до десятков % общей (номинальной) площади и может быть определена по формуле: где у - предел прочности. При этом тонкий поверхностный слой претерпевает заметные и значительные деформации и структурные изменения. У пластичных материалов деформации меняются от 10-15% до 500-1000%. У хрупких материалов поверхностный слой будет разрушаться. Таким образом. при трении подводимая энергия будет диссипироваться в тепло только в пятнах контакта. Поэтому расчет температуры может быть выполнен только для пятна контакта. Если значение нормальной силы F можно заменить на величину прочности материала, имея в виду, что рассчитывается плотность энергии в пятне контакта, можно получить: A = N = kV0y (3.16) и остается один внешний параметр - скорость V0. Если считать, что толщина активного слоя, в котором развиваются деформационные процессы в результате трения, существенно меньше размеров в продольном и поперечном направлениях, то задачу теплопроводности можно считать одномерной. На основании того, что рассматриваются два источника тепла, запишем уравнение теплопроводности с двумя источниками, а именно: 1) w - в результате растрескивания поверхностного слоя; 2) q - в результате работы сил трения; и с соответствующими граничными и начальными условиями:
Высокая теплопроводность способствует быстрому отводу тепла от соприкасающихся поверхностей и снижению интенсивности нарастания контактной температуры. Если твердый сплав имеет низкую теплопроводность, то выделяющееся тепло накапливается на контактирующих поверхностях, в результате чего наблюдается стремительный рост контактной температуры.
Образование фрикционных искр связано с превращением части кинетической энергии механического взаимодействия в теплоту с последующим экзотермическим окислением и разогревом частиц. С увеличением скорости частиц повышаются контактные температуры.
Для определения поджигающей способности фрикционных искр, с целью оценки их опасности в анализируемой горючей среде, рассмотрим [86] тепловые процессы, протекающие при движении одиночной нагретой фрикционной частицы в газовоздушной среде.
Плотность теплового потока q,p от поверхности движущейся нагретой фрикционной частицы в окружающую среду, согласно закону Ньютона-Рихмана (3.1), пропорциональна разности температур поверхности фрикционной частицы ґф и окружающей ее газовоздушной среды t2ec, т.е.: Я.ф = &( ф гвс) (3.21) где а - коэффициент теплоотдачи (Вт/(м -С)); ґф - температура поверхности фрикционной частицы (С); tzec - температура окружающей ее газовоздушной среды (С).
Выражение (3.21) позволяет определять количество теплоты q,p, которое в единицу времени с единицы поверхности отводится в окружающую среду. Как следует из закона Фурье (3.4), от поверхности фрикционной частицы отводится поток Выражение (3.24) является математическим описанием граничных условий 3 рода. Для определения потери тепловой энергии Q движущейся фрикционной частицы за время Тф, на основании (3.21), получим выражение: Q = a(t(j)H- tzec )8тф , (3.25) где ґфн - начальная температура поверхности фрикционной частицы; S - площадь поверхности нагретой частицы. Процесс отдачи накопленного тепла движущейся фрикционной частицей в газовоздушную окружающую среду при вынужденной конвекции характеризуется критериальным уравнением (3.10). Скорость движения нагретой фрикционной частицы оф зависит от начального импульса, полученного частицей при контакте двух тел. Значение коэффициента теплоотдачи а, относящегося к поверхности нагретой фрикционной частицы, можно определить на основании безразмерного критерия Нуссельта:
Исследование зажигающей способности фрикционных искр по отношению к твердым материалам
В настоящее время известны различные способы предотвращения аварий, связанных с воспламенением ЛВЖ и ГЖ в том числе: предотвращение возникновения пожара; охлаждение стенок резервуара, попавшего в очаг пожара, путем их орошения распыленной водой; теплоизоляция стенок резервуара; применение внутри резервуара теплоотводящих металлических сеток; применение правильно спроектированных сбросных устройств (предохранительные клапаны, разрывные мембраны и т. д.); устройство двойных стенок, охлаждаемых двухфазными потоками продукта при его транспортировке к предохранительному клапану.
В соответствии с нормативными документами и на основе научно исследовательских работ, выполненных в ряде организаций, могут быть сформулированы следующие основные способы обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования с ЛВЖ и ГЖ: - флегматизация свободного пространства емкостей химически инертными или обладающими ингибирующим действием газовыми составами; - применение разрывных мембран; - использование предохранительных клапанов; - применение огнезащитных покрытий и/или теплоизоляции стенок емкостей; - установка взрывоподавления; - применение емкостей, рассчитанных на максимально возможные взрывные нагрузки; - заполнение всего объема емкости пористой структурой. К основным средствам обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования на железнодорожном транспорте относятся: - огнезащитные покрытия и / или теплоизоляция стенок; - огнепреграждающие устройства; - установки взрывоподавления; - пассивная взрывозащита; - пористые среды. В силу специфики технологических процессов на железнодорожном транспорте горючее и окислитель обычно присутствуют вместе, или во всяком случае окислитель (воздух) контактирует с технологической средой котла-цистерны, где зачастую полную изоляцию этих двух компонентов не всегда удается выполнить. Поэтому на всех пожаровзрывоопасных производствах должны быть созданы условия предотвращающие накопление горючих газов и исключающие или задерживающие возникновение потенциальных источников зажигания в виде открытого огня, электрических зарядов статического электричества, искр удара и трения, нагретых поверхностей технологического и т.д.
Пожары (и последующие взрывы) на таких объектах являются, как правило, следствием аварийных ситуаций, развивающихся примерно по следующей схеме: - в результате нарушения герметичности котлов-цистерн, запорной арматуры и оборудования происходит истечение горючих газов; - вышедшие в атмосферу газы либо воспламеняются, либо создают зону загазованности с взрывоопасными концентрациями горючего. Развивающееся при воспламенении ГПВС избыточное давление взрыва приводит к разрушению оборудования установки и находящихся рядом объектов; - факторы пожара интенсивно воздействуют на объекты транспорта и технологические трубопроводы, из которых происходит истечение, а также на оборудование и трубопроводы, находящиеся в непосредственной близости, вследствие чего в них повышается давление выше расчетного, они теряют прочность и разрушаются, или происходит их разгерметизация из-за разрушения уплотняющих устройств; - количество вышедшего наружу продукта и масштабы пожара увеличиваются во времени, принося значительный материальный ущерб. 142 Пожары с последующими взрывами на указанных объектах могут возникать при нарушении технологического режима, из-за неосторожного обращения с огнем, в результате допущенных нарушений при проектировании и эксплуатации, а также других причин. Взрывы и связанные с ними пожары могут возникать при освоении новых технологических процессов производства, пуске нового оборудования, при недостаточной изученности условий обеспечения пожаровзрывоопасности этих процессов, показателей пожаровзрывоопасности сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Такие случаи наблюдались при освоении некоторых производств, связанных с заполнение котлов-цистерн горючими жидкостями.
Как правило, вагоны и цистерны размещаются на небольшом расстоянии друг от друга и часто имеют значительную высоту, по этой причине развитие аварийной ситуации имеет каскадный характер развития.
Анализ главы 2 показывает, что при заполнении железнодорожных цистерн ЛВЖ открытым способом около открытых проемов образуются взрывопожароопасные зоны, которые способны воспламениться от фрикционных искр, образующихся при соударении люка о поверхность цистерны, при снятии ЗПУ методом удара, а также в процессе транспортировки цистерны.
Для снижения процесса потенциально искрообразующих металлических изделий предлагается нанесение тонкого слоя металла, несклонного к искрообразованию, например, оцинкование стальных изделий толщиной 30-50 микрон. Это позволяет сохранить прочностные характеристики изделия и в тоже время снизить процесс искрообразования.