Введение к работе
Актуальность темы исследования. Для противопожарной защиты резервуаров с нефтью, относящих к объектам капитального строительства складского назначения, обычно используются системы пенного пожаротушения с применением пенообразователей различной природы.
Несмотря на внедрение новых способов тушения и появление на рынке новых марок пенообразователей, тушение пожаров нефтепродуктов в резервуарном парке остается большой проблемой, поскольку огонь на таких объектах быстро прогрессирует и приобретает катастрофический характер, охватывая соседние резервуары нефтехранилища.
Учитывая, что химический состав и соотношение компонентов в пенообразователях, как правило, неизвестны, то наиболее надежным показателем, характеризующим природу и эффективность, являются физические параметры водных растворов. Под физическими параметрами рассматривается комплекс, включающий в себя коэффициенты растекания в системе пена-углеводород, величины поверхностных и межфазного натяжений, а также поверхностную активность на границе с воздухом и нефтепродуктом.
В связи с этим актуальной является задача повышения противопожарной защиты резервуаров с нефтью, а также выявление и обоснование оптимальных режимов применения систем пенного пожаротушения, реализация которых возможна при установлении четких взаимосвязей огнетушащей эффективности пены и структуры коэффициента растекания водных растворов пенообразователей в системе пена-углеводород.
Степень разработанности темы. Наибольший вклад в исследование и развитие систем тушения пожаров пенами внесли Шароварников А.Ф., Петров И.И., Реутт В.Ч., Воевода С.С., Молчанов В.П., Корольченко Д.А. Проведенные ими научно-исследовательские работы направлены на разработку новых способов и механизмов тушения пожаров пеной. Фторсинтетические пенообразователи, позволяющие детально исследовать комплекс физических параметров, появились значительно позже, поэтому вопросу влияния на огнетушащую эффективность
пен структуры коэффициента растекания водных растворов было уделено недостаточное внимание.
Цель диссертационной работы заключается в комплексных экспериментальных и теоретических исследованиях тушения пламени нефтепродуктов с использованием пенообразователей, имеющих различную структуру коэффициента растекания водных растворов в системе пена-углеводород.
Для достижения поставленной цели необходимо решить основные задачи: Провести исследования огнетушащей эффективности пены, полученной из водных растворов пенообразователей:
с положительным значением коэффициента растекания водного раствора по углеводороду;
с переменным значением коэффициента растекания углеводорода по водному раствору;
с положительным значением коэффициента растекания углеводорода по водному раствору.
Объектом исследования являются вопросы огнетушащей эффективности пен и систем пенного пожаротушения при тушении нефти и нефтепродуктов в резервуарах.
В качестве предмета исследования рассматривали основные параметры процесса тушения пламени нефтепродуктов пенами, водные растворы которых имеют различную структуру коэффициента растекания в системе пена-углеводород.
Методология и методы исследования. В процессе выполнения работы использовались такие методы исследований как: методы моделирования, методы наблюдения и сравнения, экспериментальные методы, статистические и численные методы, а также методы, регламентированные национальными стандартами РФ, такими как: ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний» и ГОСТ Р 53280.2 - 2010 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в
резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний».
Степень достоверности результатов диссертационного исследования
подтверждается:
применением для обработки полученных экспериментальных данных апробированных методов статистического анализа;
использованием поверенных средств измерений и аттестованного испытательного оборудования.
Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в самостоятельно полученных, интерпретированных и апробированных результатах исследования.
Научная новизна работы заключается в комплексных экспериментальных и теоретических исследованиях тушения пламени нефтепродуктов пеной подачей на горящую поверхность и в слой горючего при использовании пенообразователей, имеющих различную структуру коэффициента растекания водного раствора по горючему в системе пена-углеводород:
показано, что огнетушащая эффективность пены определяется структурой коэффициентов растекания в системе пена – углеводород, при этом для повышения огнетушащей эффективности необходимо использовать растворы с нулевым растеканием углеводорода по водному раствору пенообразователя;
выявлено, что минимальный удельный расход и оптимальная интенсивность подачи пены сдвигаются в область меньших величин с ростом коэффициента растекания водного раствора по углеводороду и повышаются с 0,8 кг/м2 до 2,5 кг/м2 и с 0,03 кг/(м2с) до 0,07 кг/(м2с) соответственно, при снижении межфазного натяжения с 2,5 мН/м до 0,3 мН/м;
показано, что растворы, имеющие положительную величину коэффициента растекания, способны самопроизвольно растекаться по поверхности углеводородов, при этом скорость растекания увеличивается с 0,5 мм/с до 2,0 мм/с по мере повышения коэффициента растекания с 1,0 мН/м до 6,0 мН/м;
получены расчетные соотношения для оценки времени тушения и минимального удельного расхода, учитывающие механизм увеличения толщины ту-
шащего слоя пены, с ростом интенсивности подачи сверх оптимальной;
- предложен способ тушения пожара нефти и нефтепродуктов в резервуарах
с понтоном или плавающей крышей, подачей пены в основание резервуара;
- предложен механизм разрушения пены низкой кратности при тушении
пламени нефтепродуктов, который базируется на поверхностной активности вод
ных растворов на границе с углеводородом, выявлен вклад термического и сорб-
ционных составляющих контактного разрушения пены на границе раздела между
пеной и углеводородом.
Теоретическая значимость заключается в определении зависимостей ог-нетушащей эффективности пены от структуры коэффициентов растекания в системе пена – нефтепродукт: были получены расчетные соотношения для оценки времени тушения и минимального удельного расхода, выявлен вклад термического сорбционных составляющих контактного разрушения пены на границе раздела между пеной и углеводородом, предложен механизм разрушения пены низкой кратности при тушении пламени нефтепродуктов, который базируется на поверхностной активности водных растворов на границе с углеводородом.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Разработан способ тушения пожара нефти и нефтепродуктов в резервуарах с понтоном или плавающей крышей подачей пены в основание резервуара (заявка № 2015101161 от 16.01.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан способ снижения времени тушения пожара нефти и нефтепродуктов путем предотвращения нагревания резервуара от факела пламени (заявка № 2015101162 от 16.01.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан способ подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов (заявка № 2015119341 от 22.05.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан состав углеводородного пенообразователя для тушения пожаров нефтепродуктов (заявка № 2015127875 от 10.07.2015 г. на получение патента РФ на изобретение).
Разработан состав пенообразователя для подслойного тушения пожаров нефтепродуктов (заявка № 2015127876 от 10.07.2015 г. на получение патента РФ
на изобретение).
На защиту выносятся комплексные экспериментальные и теоретические исследованиях тушения пламени нефтепродуктов пеной подачей на горящую поверхность и в слой горючего при использовании пенообразователей, имеющих различную структуру коэффициента растекания водного раствора по горючему в системе пена-углеводород:
зависимости огнетушащей эффективности пены от величины и структуры коэффициента растекания водного раствора по горючему и в частности от межфазного натяжения;
зависимость минимального удельного расхода и оптимальной интенсивности подачи раствора углеводородных и фторсодержащих пенообразователей от высоты подачи пены на горящую поверхность нефтепродукта;
- расчетные соотношения для оценки времени тушения и минимального
удельного расхода, учитывающие механизм увеличения толщины тушащего слоя
пены с ростом интенсивности подачи сверх оптимальной;
- способ тушения пожара нефти и нефтепродуктов в резервуарах с понто
ном или плавающей крышей;
- процесс формирования водных пленок по поверхности нефтепродуктов
растворами, имеющими положительную величину коэффициента растекания;
- механизм разрушения пены низкой кратности при тушении пламени
нефтепродуктов, базирующийся на поверхностной активности водных растворов
на границе с углеводородом.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Юность и знания - гарантия успеха» (г. Курск, ЮЗГУ, 24-25 декабря 2014 г.); «Проблемы техносферной безопасности – 2015» (г. Москва, АГПС МЧС России, 7-8 апреля 2015 г.); «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 23-25 апреля 2015 г.); «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (г. Воронеж, ВИ ГПС МЧС России, 23-24 сентября 2015 г.); «Безопасность и проектирование конструкций в ма-
шиностроении», (г. Курск, ЮЗГУ, 25-26 сентября 2015 г.); «Системы обеспечения техносферной безопасности» (г. Таганрог, ЮФУ, 14-15 октября 2015 г.); «Комплексные проблемы техносферной безопасности» (г. Воронеж, ВГТУ, 12 ноября 2015 г.); «Поколение будущего – 2015: взгляд молодых ученых» (г. Курск, ЮЗГУ, 19-20 ноября 2015 года); «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, АГПС МЧС России, 17-18 марта 2016 г.).
Публикация результатов исследований. Основные результаты диссертационной работы полно опубликованы в 16 печатных работах: из них 5 работ опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, 10 работ в материалах Международных научно-практических конференций, 1 – в международном издание.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 156 страницах текста, включает в себя 87 рисунков, 8 таблиц, библиографический список из 97 наименований и 3 приложения.