Методика оценки эффективности порошковых огнетушителей при тушении пожаров на объектах нефтегазовой отрасли

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы
диссертационного исследования, определены цели и научная задача
исследования, представлены научные результаты, выносимые на защиту,
приведена информация об их внедрении и апробации.
В Главе 1 «Состояние вопроса, обоснование цели и научной задачи
исследования» представлен анализ сертифицированных в России видов
огнетушителей российских и зарубежных производителей, согласно которым
наибольшеераспространение(более50%)получилипорошковые
огнетушители.
Несмотря на их широкое распространение, выход огнетушащего порошка
присрабатыванииогнетушителя(вподавляющембольшинстве)
осуществляется не полностью. В некоторых случаях масса оставшегося
порошка составляет до 40 % от начального заряда (при допустимой норме – не
более 15%). Большой остаток порошка является следствием несовершенства
конструкции огнетушителей (расположение и вид сифонной трубки, давление в
корпусе, возможность слеживаемости порошка, направление потоков
вытесняющего газа и т.д.).
Перспективным направлением их развития является порошковый
огнетушитель с пористой емкостью для огнетушащего вещества. Эта
запатентованная конструкция принята за основу при разработке модельного
ряда эффективных порошковых огнетушителей, предложенного учеными
Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России. Модельный ряд
ранжирован по количеству теплоты, выделяемой из зоны горения, которую
способно отобрать огнетушащее вещество огнетушителя в единицу времени.
При испытаниях по определению огнетушащей способности одной из
особенностей, которая влияет на конечный результат, является субъективный
подход к проведению испытаний лицами, проводящими их. При существующей
последовательности действий по тушению модельных очагов пожара
невозможно добиться единообразного подхода. А именно единообразие,
последовательность и точность действий лица, проводящего испытания, могут
оказать существенное влияние на объективность оценки огнетушащей
способности огнетушителя.
Таким образом, следует усовершенствовать методику оценки
эффективности огнетушителей с использованием модели стенда для испытаний
огнетушителей. Конструкция такого стенда должна обеспечивать реализацию
единого модельного очага пожара, предназначенного для оценки соответствия
характеристик порошковых огнетушителей, установленным требованиям путем
его тушения.
Этот подход является более предпочтительным в сравнении с
существующим методом, так как полностью отвечает требованиям,
предъявляемым к испытаниям огнетушителей.
В Главе 2 «Обоснование требований и разработка конструкции
порошковых огнетушителей» представлены результаты анализа требований к
показателям назначения, характеризующим способность порошковых
огнетушителей (далее ОП) эффективно выполнять свою основную функцию –
тушение очага пожара. Определено влияние технических характеристик и
конструкций ОП на главный показатель назначения – огнетушащую
способность, выбраны способы и методы его исследования.
Исследованы две конструкции сосудов для содержания порошка в
условиях эксплуатации. Первая представляет собой коаксиально соединенные,
вертикально ориентированные цилиндрические сосуды (труба в трубе или
труба в двух трубах), вторая – блок отдельных, изолированных друг от друга
параллельно соединенных и вертикально ориентированных цилиндрических
сосудов. Коаксиальное расположение принято с учетом создания компактной
конструкции в условиях минимизации занимаемого объема внутри корпуса
порошкового огнетушителя.
Методика испытаний предусматривает оценку взаимосвязи характерных
размеров, вместимость и количество соединенных сосудов, диаметры их
соединительных трубопроводов, количество газа, израсходованного для
достижения эффекта вытеснения. С этой целью, в ходе испытаний изменяли
факторы, влияющие на процесс вытеснения частиц огнетушащего порошка из
емкости для его содержания.
Изменение относительной величины остатка порошка в корпусе
огнетушителя (mост) от диаметра трубки (d1), соединяющей коллектор и
запорно-пусковое устройство (далее ЗПУ), представлено на Рисунках 1, 2.

Рисунок 1 – Изменение величины остатка порошка в огнетушителе
с изолированными друг от друга сосудами

Рисунок 2 – Изменение величины остатка порошка в огнетушителе
с коаксиальными сосудами
и может быть описано аналитическими выражениями:
ост = −36,93 ln( 1 ) + 100,68(1)
для изолированных друг от друга сосудов (при коэффициенте корреляции R = 0,91);
ост = −37,81 ln( 1 ) + 107,56(2)
для коаксиальных сосудов (при коэффициенте корреляции R2 = 0,78).
Влияние энергии выхода газа-вытеснителя на изменение массы остатка
огнетушащего порошка представлено на Рисунках 3, 4.

Рисунок 3 – Изменение остатка порошка от энергии вытесняющего газа
в ОП с изолированными друг от друга сосудами

Рисунок 4 – Изменение остатка порошка от энергии вытесняющего газа
в ОП с коаксиальными сосудами
и имеет следующие аналитические выражения:
ост = −11,11 ln( ) + 42,26(3)
с изолированными друг от друга сосудами (при коэффициенте корреляции R = 0,85);
ост = −39,94 ln( ) + 166,07(4)
с коаксиальными сосудами (при коэффициенте корреляции R = 0,84).

Результаты экспериментов показали, что исходные характеристики ОП
должны иметь следующие значения:
тип емкости для содержания порошка в условиях эксплуатации – в виде
отдельных изолированных друг от друга цилиндрических сосудов;
начальное давление вытесняющего газа – не менее 0,8 МПа;
диаметр трубки, соединяющей коллектор с ЗПУ (d1) – не менее 14 мм.
Все исследованные варианты конструкций ОП данного исполнения
обеспечивают остаток порошка менее допускаемых стандартом 15%. Лучшие
из них обеспечивают уменьшение остатка порошка до 1-2%, остальные
варианты не более 7,5% (при давлении 0,8 МПа).
В результате экспериментов установлено, что вариант ОП с отдельными
изолированными друг от друга сосудами представляется наиболее
перспективным для дальнейшего исследования за счет достижения
минимальных значений остатка огнетушащего вещества, при наименьшем
количестве затраченного газа-вытеснителя.
Сведения о характеристиках сосудов, условиях испытаний и изменении
остатка порошка в сосудах ОП представлены в Таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики и результаты испытаний ОП с параллельно
соединенными изолированными сосудами
Площадь
Диаметр, / площадь трубки,

Среднее значение остатка
Начальные
сосудов с коллектором

Диаметрпоровой
Площадь соединения

параметрыМасса
Всего сосудов nc, ед

Sтр., соединяющей
коллектор с ЗПУ,

сосудачасти,
экспериментов

вытесняющегОТВ m, кг
10-3 м / 10-3 м2

dс, 10-3 м

порошка, %
Sпор.части
о газа
№ серии

10-3 м2
10-3 м2
номинальный

внутренний

начальная
V, 10-3 м3
давление
Р, МПа
сосудов

остатка
одного
сосуда

объем
всех

mост
mнач
dс.вн

0,5550,005
0,5550,0051,2
0,5500,010
1,0000,010
1d4036,44 1,04 4,160,6214,0 / 0,154 0,8045,91,0000,010
1,0000,015
10100,0151,4
10050,015
10000,015
0,9800,015
1,0000,080
2d3229,06 0,66 3,961,0814,0 / 0,154 0,8045,01,0000,0707,5
1,0000,075

Учитывая требования, предъявляемые к параметрам систем хранения ОПС,
для оценки эффективности порошковых огнетушителей на основании π-теоремы
сформирован безразмерный комплекс из следующих величин: расход ОПС,
давление в огнетушителе, время выхода ОПС и длина струи ОПС.

э = опс Рх стр вых(5)
Решение этого уравнения при х = – 1, y = – 1, z = – 1 показывает, что
проведение испытаний следует осуществлять с учетом безразмерного
комплекса πэ, отражающего показатели, влияющие на полноту выхода ОПС и
опс
имеющего следующий вид: э =(6)
стр вых опс

кг⁄
с
Размерность сформированного комплекса πэ: []
(кг⁄ 2 )⋅(м)⋅(с)
м⋅с

В Главе 3 «Экспериментальное обоснование и разработка
конструкции испытательного стенда для оценки эффективности
порошковых огнетушителей» рассмотрены варианты нештатных ситуаций на
объектах нефтегазовой отрасли, связанные с выходом нефтепродуктов (пролив,
разгерметизация, повреждения и т.п.), а также обеспечение объектов защиты
первичными средствами пожаротушения на примере автозаправочных станций.
Нормы обеспечения объектов нефтегазовой отрасли на примере АЗС
представлены в Таблице 2.

Таблица 2 – Обеспечение огнетушителями объектов защиты на АЗС
Требуемый ранг
тушения МОПКоличество
Объект защиты
огнетушителем,огнетушителей
не менее
Заправочный количество ТРК от 1 до 43А, 144Вне менее двух
островокколичество ТРК от 5 до 83А, 144Вне менее четырех
Площадка для грузовых автомобилей,не менее двух
6А, 233В
автобусов и т.п.(каждая)
Помещения категории А, Б, В1-В44А, 55В*,144Вне менее двух
Помещения категории Г, Д2А, 55Вне менее двух
Иные помещения2А, 55Вне менее двух
Примечание: * для тушения пожаров класса Е

Наиболее эффективными при тушении разлива нефтепродуктов на
начальной стадии пожара являются порошковые огнетушители. В случае их
применения подразумевается, что при срабатывании, тушение очага возгорания
произойдет за счет полного выхода огнетушащего порошкового состава. После
срабатывания в корпусе огнетушителя остается часть порошка. Однако далеко
не всегда значения его остатка укладываются в нормативные 15 %.
В силу различных причин (слеживаемость, постоянная смена
температурных режимов, не соблюдение сроков и порядка обслуживания и т.д.)
значения огнетушащего порошкового состава превышают установленные
параметры.
Применение огнетушителей в случае возникновения горения при
нештатных ситуациях на объектах нефтегазовой отрасли (пролив
нефтепродуктов при заполнении емкостей, заправке автомобиля, разрыв
рукавов топливораздаточных колонок АЗС и т.п.) подразумевает, что очаг
будет потушен за счет их эффективного срабатывания, т.е. полного выхода
огнетушащегопорошка.Такимобразом,наиболееэффективным
огнетушителем при ликвидации возгорания (в том числе пролива горючих
жидкостей) будет тот, у которого выход огнетушащего порошка будет
максимальным.
Определены требования к стенду, его модели и виду используемого
горючего, исходя из условия обеспечения стационарного распределения
теплового потока от пламени горелки (при постоянстве характеристик сетки,
теплового потока).
В результате экспериментов определен расход горючего газа и визуально
подтверждено равномерное распределение пламени по сетке корпуса
модельного очага пожара, при которых регистрируемые значения температур
максимальны и стабильны.
Характеристики корпуса исследованного модельного очага пожара
(далее МОП) соответствуют требованиям, предъявляемым к МОП ранга 1В и
2В, что позволяет определить требуемый расход горючего газа и для других
типоразмеров МОП (Таблица 3).
Таблица 3 – Расход горючего газа, соответствующий рангам МОП
МОП стенда для испытания порошковых огнетушителейСоответствие рангу МОП
класса В
Мощность тепловыделения
Расход газа qг не менее, л/мин(ГОСТ Р 51017,
Qтв, кВт
ГОСТ Р 51057)
0,911,51В
2,083,52В
2,854,83В
4,677,95В
8,2614,08В
11,2619,113В
18,5531,521В
32,9556,034В
51,5587,655В
66,19112,570В
82,72140,689В
105,89180,0113В
131,95224,3144В
166,94283,8183В
206,12350,4233В
Мощность тепловыделения МОП в зависимости от расхода газа qг,
используемого в качестве горючей нагрузки, имеет следующее аналитическое
выражение:
тв = 1,70 ∙ г − 0,04(7)
(при коэффициенте корреляции R2 = 0,99)

Модель стенда (Рисунок 5) разработана с учетом существующих МОП и
известных испытательных стендов.
За счет наличия сменных корпусов МОП, возможности регулирования
подачи топлива и изменения расстояния (перемещения) относительно друг
друга испытываемого огнетушителя и мишени обеспечена вариативность
создаваемых МОП с заданным значением мощности теплового потока.
Регулирующим элементом является блок управления поворотным
кронштейном, соединенный с устройством, регистрирующим показания
термоэлектрических преобразователей, который предназначен для подачи
сигнала на механизм вращения устройства с порошковым огнетушителем и
отвечает за вращение перемещаемого устройства для крепления огнетушителя с
порошковым огнетушителем вокруг очага горения (МОП).
При этом модель стенда для испытаний порошковых огнетушителей
отличается высокой надежностью в связи использованием конструктивных
элементов, ранее апробированных в условиях проведения натурных огневых
испытаний и эксплуатации аналогичных устройств.
Технико-экономическая оценка разработанной модели стенда показала,
что стоимость проведения испытаний может быть снижена в несколько раз (за
счет применения унифицированных элементов конструкции в сравнении с
существующим МОП класса В). При этом затраты на расходные материалы
(в виде горючей нагрузки для МОП) снижаются более чем в тридцать раз.
а) вид сбоку

б) вид сверху
Рисунок 5 – Модель стенда для испытания порошковых огнетушителей:
1 – перемещаемое устройство для крепления огнетушителя, 2 – устройство
запуска огнетушителя, 3 – система крепежей перемещаемого устройства к
поворотному кронштейну, 4 – огнетушитель, 5 – система крепежей
огнетушителя, 6 – корпус мишени, 7 – экран, 8 – устройство, регистрирующее
показания термоэлектрических преобразователей, 9 – блок управления
поворотным кронштейном, 10 – газовый баллон с редуктором,
11 – соединительный газовый трубопровод, 12 – ротаметр,
13 – термоэлектрические преобразователи, 14 – рассекатель пламени и газовых
потоков, 15 – механизм вращения устройства (с огнетушителем), 16 – газовая
горелка, 17 – поворотный кронштейн, 18 – основание-платформа мишени,
19 – емкость для сбора отработанного огнетушащего вещества,
20 – измерительная линейка, 21 – струя огнетушащего вещества
В Главе 4 «Экспериментальное исследование эффективности
полноразмерных порошковых огнетушителей» рассмотрена авторская
запатентованнаямодельпорошковогоогнетушителя. Предлагаемая
конструкция огнетушителя направлена на повышение его эффективности за
счет уменьшения остатка огнетушащего порошкового состава в корпусе после
срабатывания в ходе тушения пожара.
Уменьшение остатка огнетушащего порошкового состава (далее – ОПС)
достигается путем оснащения огнетушителя несколькими параллельно
соединенными сосудами, имеющими раздельные входы вытесняющего газа и
общий для всех выход ОПС, что позволяет более экономно расходовать запас
энергии вытесняющего газа. Модель порошкового огнетушителя реализована в
устройстве, сущность которого пояснена на Рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема порошкового огнетушителя с параллельно соединенными
сосудами для ОПС: 1 – сосуды для ОПС; 2 – корпус огнетушителя; 3 – крышка
корпуса огнетушителя; 4 – запорно-пусковое устройство; 5 – заправочный
штуцер с обратным клапаном; 6 – пористый материал, 7 – общий коллектор для
выхода ОПС

Далее описана предлагаемая методика оценки эффективности
порошковых огнетушителей на объектах нефтегазовой отрасли. Схема оценки
представлена на Рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема оценки эффективности порошковых огнетушителей при
тушении пожаров на объектах нефтегазовой отрасли

Для проведения экспериментальных исследований разработаны полезные
модели «Стенд для испытания огнетушителей» (RU 168399 U1) и
«Порошковый огнетушитель» (RU 188369 U1). Размеры модели стенда для
испытания огнетушителей получены на основе методов геометрического
подобия. В качестве прототипа физической модели авторского ОП принят
корпус стандартного порошкового огнетушителя.
Представленырезультатыэкспериментальногоисследования
эффективности сертифицированных ОП и экспериментального модельного
ряда порошковых огнетушителей (далее ОП-Э) запатентованной конструкции,
подтвердившие их работоспособность и огнетушащую эффективность при
тушении горящего разлившегося нефтепродукта (Таблица 4).

Таблица 4 – Эффективность порошковых огнетушителей по величине
безразмерного комплекса эффективности πэ
РезультатВеличины безразмерного комплекса
Условное
тушениявремядлина Значение
обозначениерасходдавление в
стандартновыхода струи комплекса
порошковогоОПС, огнетушителе
го МОПОПС,ОПСπэ
огнетушителяQ, кг/cР, кг/(м·с2)
класса Вτвых, сL, м
Порошковые огнетушители, соответствующие ОП-1 (по массе заряда)
ОП-1(з)-АВСЕпотушен0,1571,6⋅106628,18⋅10-3
ОП-1(з)-АВСЕ МИГ потушен0,1571,6⋅10628,18⋅10-3
ОП-1Эпотушен0,1630,8⋅1066216,67⋅10-3
Порошковые огнетушители, соответствующие ОП-2 (по массе заряда)
ОП-2(з)-АВСЕпотушен0,3031,6⋅1066310,52⋅10-3
ОП-2(з)-АВСЕпотушен0,3071,6⋅1066310,66⋅10-3
ОП-2(з)-АВСЕ МИГ потушен0,3071,6⋅10 6
6310,66⋅10-3
ОП-2Эпотушен0,3170,8⋅1066322,01⋅10-3

Разработанная модель ОП-Э позволяет осуществить тушение горящего
нефтепродукта (МОП класса В соответствующего ранга, предусмотренных
нормативными документами) и варианта, предлагаемого в модели «Стенда для
испытания огнетушителей» в соответствии с методикой оценки эффективности
порошкового огнетушителя, уменьшающей влияние субъективного фактора
оператора-испытателя на результат, и учитывающей безразмерный комплекс πэ.
При проведении огневых испытаний модели ОП-1Э и ОП-2Э с массой
огнетушащего порошка 1 кг и 2 кг соответственно, успешно тушат:
стандартный МОП класса В, имитирующий горение разлившегося
нефтепродукта, рангов 13В и 21В соответственно;
экспериментальный газовый МОП стенда для испытания огнетушителей,
имеющий мощности тепловыделения 19,1 кВт (соответствует стандартному МОП
класса В ранга 13В) и 31,5 кВт (соответствует стандартному МОП класса В ранга
21В).
Значения безразмерного комплекса эффективности πэ у ОП-Э выше, чем у
выпускаемых ОП, и составляют: не менее 16,67⋅10-3 для ОП-1Э и не менее
22,01⋅10-3 для ОП-2Э.
Представлена оценка экономической эффективностииспытанных
огнетушителей по методу Парето (Рисунки 8 и 9).

Рисунок 8 – Сравнение эффективности огнетушителей ОП-1
по рейтинговому показателю

Рисунок 9– Сравнение эффективности огнетушителей ОП-2
по рейтинговому показателю
В Заключении приведены основные результаты работы.
1. Разработанная модель порошкового огнетушителя, учитывает
закономерности, комплексно характеризующие влияние его конструкции на
эффективность тушения, и соответствует требованиям, предъявляемым
нормативными документами, к данному виду (обеспечивает возможность
уменьшения остатка огнетушащего порошкового состава в корпусе
огнетушителя после его срабатывания до 1-2% при давлении 0,8 МПа при
допускаемом значении 15%).
2. Разработанная модель стенда для испытания огнетушителей
обеспечивает выполнение функций, не характерных для известных ранее
стендов и устройств моделирования очагов пожара, в части обеспечения
вариативности реальных тепловых потоков (возможность задавать значения
мощности теплового потока от 1,5 кВт до 350,4 кВт за счет регулируемой
подачи топлива), а также создает условия, снижающие влияние субъективного
фактора на результаты испытаний за счет автоматизации процесса тушения.
3. Предложенное решение по универсализации единого модельного очага
пожара, используемого в модели стенда, позволяет обеспечить изменение его
параметров в соответствии с установленными требованиями, а также снизить
затраты на расходные материалы для создания экспериментального модельного
очага пожара с заданной мощностью тепловыделения более чем в 30 раз,
сократив их номенклатуру.
4.Совокупностьполученныхэкспериментально-теоретических
результатов по разработке методики оценки эффективности порошковых
огнетушителей при тушении пожаров на объектах нефтегазовой отрасли с
использованием модели стенда, свидетельствует о достижении поставленной
цели по повышению достоверности оценки эффективности порошковых
огнетушителей и решению научной задачи.
Направлением дальнейших исследований при использовании полученных
результатов, следует считать разработку полноразмерных моделей стенда для
испытания огнетушителей, запатентованного порошкового огнетушителя, а
также рекомендаций по внесению изменений в нормативные документы в части
касающейся требований к проведению огневых испытаний огнетушителей.