Снижение пожарной опасности локальных проливов углеводородных жидкостей на основе применения гранулированного пеностекла

Во введении обоснована актуальность темы исследования, степень ее разработанности, сформулированы цель и задачи, определены объект и предмет исследования, представлена научная новизна, указаны теоретическая и практическая значимость, представлены методология и методы исследования, а также приведены данные по апробации результатов работы.
В первой главе «Состояние вопроса пожарной опасности локальных проливов углеводородных жидкостей» представлены анализ статистических данных по пожарам на объектах с обращением углеводородных жидкостей, проведен аналитический обзор характерных пожаров,
, проведен анализ способов и технических решений, направленных на снижение пожарной опасности локальных проливов углеводородных жидкостей, а также
проанализированы свойства гранулированных материалов.
Анализ статистических данных по пожарам на объектах нефтегазовой
отрасли показал, что пожары пролива – наиболее частое явление среди сценариев развития пожара. В подавляющем большинстве проливы углеводородных жидкостей на производственных объектах являются локальными, а именно: проливы при разъеме соединительных патрубков после проведения сливо- наливных операций; утечки при нарушении герметичности фланцевых соединений; проливы при подготовке к проведению ремонтных работ на технологических трубопроводах, манифольдах; капельные утечки на технологическом оборудовании и трубопроводах при повышенных вибрационных нагрузках; проливы при отборе проб углеводородных жидкостей из аппаратов.
связанных с локальными
аварийными проливами ЛВЖ и ГЖ на объектах нефтегазовой отрасли
В отечественных и зарубежных нормах отражены требования, направленные на ограничение растекания горючих жидкостей. Эти требования реализуются путем применения открытых поддонов, ограждающих бортиков, приямков, поддонов с гравием, устройств самотушения горящих жидкостей. При этом в действующих нормативных документах отсутствуют требования, предъявляемые к гранулированным наполнителям поддонов в виде легких пористых материалов, в частности, к гранулированному пеностеклу.
При меньшем размере фракции больше насыпная плотность и, соответственно, меньше высота «сухого» СГП в равновесном состоянии. Высота «сухого» СГП является доминирующим параметром в процессе снижения интенсивности испарения и гашения пламени при проливе ЛВЖ. В связи с этим возникла необходимость определения оптимального размера фракции СГП, выполняющего роль экрана при проливе углеводородных жидкостей на ограниченной поверхности, минимальная величина
которого обеспечивает гашение пламени.
Во второй главе «Теоретические исследования испарения углеводородных
жидкостей и гашения пламени в условиях экранирования пролива слоем гранулированного пеностекла» разработаны: математическая модель расчета равновесной высоты «сухого» слоя гранулированного пеностекла при проливах углеводородных жидкостей; математическая модель расчета критической высоты «сухого» СГП на поверхности пролива углеводородных жидкостей, обеспечивающего гашение пламени; математическая модель скорости испарения углеводородных жидкостей с экранирующим слоем гранулированного пеностекла.
В основе теории диффузионного горения заложен принцип неразрывности процесса испарения жидкости и подвода горючих паров в зону реакции горения. Для поддержания горения необходимо, чтобы с надлежащей скоростью поступало необходимое количество паров жидкости и кислорода в зону реакции горения. Нарушению временного баланса поддержания горения углеводородных жидкостей способствует критическая высота «сухого» СГП, при которой горение не поддерживается, при этом выполняется условие:
τг < τп.г. , (1) где τг – время сгорания объема паров над поверхностью жидкости, с; τп.г. – время поступления горючего в зону реакции горения, с. В условиях пролива углеводородной жидкости в емкость, наполненной СГП, процесс гашения пламени можно описать, используя график-схему, представленную на рисунке 1. Анализ характеристик гранулированных материалов показал, что гранулированное пеностекло марки «Термоизол» является одним из самых низкогигроскопичных, легких и термостойких материалов с низким коэффициентом теплопроводности. Технологическая линия производства гранулированного пеностекла предусматривает фракционное разделение гранул: Ф1-4; Ф5-7; Ф10-15; Ф20-30 (мм). Н Область поддержания Область горения гашения пламени Верхняя граница зоны поступления паров Высота зоны паров над СГП H1 τг H1 H2 ск τкр Hкр скр Высота зоны паров в СГП Высота подъема уровня жидкости Hкр Нс Н1 – высота зоны паров, испарившихся с поверхности СГП; Н2 – высота зоны паров, испарившихся с поверхности жидкости в СГП; Нкр – критическая высота зоны паров; τг – время сгорания паров; τ∆p – время распространения волны при перепаде давления; τкр – критическое время распространения волны при перепаде давления; cк – концентрация кислорода. Рисунок 1 – График-схема гашения пламени при критической высоте «сухого» СГП Нарушение баланса горения с увеличением высоты (толщины) СГП характеризуется следующими факторами: 1) При сгорании объема паров над поверхностью СГП происходит обеднение кислородом области внутри «сухого» СГП, поэтому пламя не опускается ниже верхнего уровня СГП, что приводит к снижению температуры внутри слоя гранул; 2) Давление над поверхностью СГП падает, инициируя волну, распространяющуюся к поверхности жидкости и обратно, перепад давления ∆p/l происходит за определенный промежуток времени τ∆p; 3) Высота зоны паров Н2 в СГП не достигает зоны реакции горения Н1 за время τг (Нкр ≥ Н2; τг < τкр). При сгорании паров над поверхностью «сухого» СГП инициируется волна, вектор которой направлен к поверхности жидкости через СГП и обратно. Характерное время распространения такой волны, т.е. время «перепада давления» τ∆p (с) можно оценить по формуле, полученной из уравнения фильтрации жидкости (пара) в пористых средах по закону Дарси: p l2m , (2) 2kP где l – длина криволинейного канала, м; m – пористость слоя;  – динамическая вязкость пара Па·с; k — коэффициент проницаемости пористой среды, м2; Pn – давление насыщенного пара (Па). Если принять длину криволинейного канала равной высоте «сухого» СГП, то есть l = Нс и провести эксперимент по определению высоты «сухого» СГП, при которой горение углеводородных жидкостей не поддерживается, то можно записать условие гашения пламени в следующем виде: n n Н  2kP , (3) H2 τ∆p кр m p где Нкр – критическая высота «сухого» СГП. При локальной утечке горючей жидкости уровень ее взлива в емкости увеличивается, вместе с ним уменьшается высота «сухого» СГП, а при переходе СГП в равновесное состояние под действием архимедовой силы (наихудший вариант развития аварии) данная высота остается постоянной. Для выполнения условия гашения пламени (3) необходимо, чтобы выполнялось условие: Нс ≥ Нкр (4) Высоту «сухого» СГП в условиях равновесного состояния можно определить по полученной формуле: H 1 г Hh , (5) c   (1m)  к ж  где ρж – плотность жидкости, кг/м3; ρг – насыпная плотность гранул, кг/м3; Н – общая высота слоя, м; hк – высота капиллярного подъема, м, которая определялась по преобразованной формуле Жюрена: hк 2 , (6) gж dк где σ – поверхностное натяжение, мН/м; g – ускорение свободного падения, м/с2; d к – средний эквивалентный диаметр канала, м. Расчетная зависимость высоты капиллярного подъема уровня от поверхностного натяжения жидкостей представлена на рисунке 2. hк, м 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000 0,015 0,02 Ф5-7 Ф1-4 Ф10-15 Ф20-30 σ, мН/м 0,025 0,03 0,035 Рисунок 2 – Зависимость высоты капиллярного подъема уровня от поверхностного натяжения жидкостей Из графика (рисунок 2) следует, что фракция пеностекла Ф1-4 (мм) имеет максимальную из исследуемых фракций высоту капиллярного подъема жидкости, что в совокупности с наибольшей насыпной плотностью данной фракции делает высоту «сухого» СГП минимальной. Истинная пористость СГП определялась по формуле: m1(hh0)S , (7) где S – площадь поверхности емкости, м2; h0 – начальная высота столба жидкости, м; h – высота столба жидкости после погружения СГП, м; Vm – объем, занимаемый гранулированной средой, м3. Vт Пористость СГП разных фракций определялась экспериментально путем погружения объема гранул в емкость с нагретой до 90°С водой. По результатам эксперимента получены следующие значения m: 1-4 мм (0,365); 5-7 мм (0,385); 10-15 мм (0,390); 20-30 мм (0,410). Для проверки работоспособности модели (5) были проведены эксперименты с различными ЛВЖ в емкости из стекла диаметром 15 см с СГП исследуемых фракций высотой от 7,5 см до 22,5 см (с шагом 1,5). Суть эксперимента состояла в многократном измерении высоты «сухого» СГП в условиях равновесного состояния. В качестве примера на рисунке 3 приведены зависимости высоты «сухого» СГП от плотности жидкости, полученные по формуле (5) для общего слоя гранул пеностекла высотой 15 см, находящегося в равновесном состоянии: Нс, м 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 Разработанная математическая модель расчета равновесной высоты «сухого» СГП позволяет определять высоту «сухого» СГП, находящегося на поверхности жидкости плотностью ρж ≈ 654...840 кг/м3 с коэффициентом корреляции >0,9.
Для определения зависимости скорости испарения углеводородных жидкостей от высоты «сухого» СГП была разработана математическая модель скорости испарения углеводородных жидкостей:
v(Нс)v0 exp(kэ Нс) , (8)
где v0 – массовая скорость испарения жидкости без экрана СГП, г/c; Нс –
высота «сухого» СГП, м; kэ – коэффициент экранирования, который можно оценить, используя формулу:
(9)
с 0
Таким образом, с помощью математической модели скорости испарения
углеводородных жидкостей при экранировании СГП можно оценить массовую 11
y = 0,0081x + 3,6562
Ф1-4 Расчет
Ф1-4 Эксперимент
Ф5-7 Расчет
Ф5-7 Эксперимент
Ф10-15 Расчет
Ф10-15 Эксперимент
Ф20-30 Расчет
R2 = 0,9434
y = 0,0077x + 2,8819 R2 = 0,9076
y = 0,0085x + 1,4676 R2 = 0,9653
y = 0,0108x – 2,6536 R2 = 0,9446
850 ж
Рисунок 3 – Зависимость высоты «сухого» СГП от плотности жидкости при
650 700
750 800
общей высоте СГП равной 15 см
k  1 ln v  эНv
Ф20-30 Эксперимент ρ ,кг/м3

скорость испарения углеводородных жидкостей различных классов, в том числе и при критической высоте «сухого» СГП, обеспечивающего гашение пламени при выполнении условия (3).
В третьей главе «Экспериментальные исследования эффективности экранирования испарения и горения углеводородных жидкостей гранулированным слоем пеностекла»: определены граничные условия проведения эксперимента; представлены результаты лабораторных и полигонных экспериментов по оценке параметров испарения и гашения пламени углеводородных жидкостей экранирующим СГП, разработана методика и экспериментальная установка по определению геометрических параметров СГП, обеспечивающего гашение пламени углеводородных жидкостей в поддонах для сбора локальных проливов.
С целью проверки адекватности моделей испарения углеводородных жидкостей и гашения пламени при экранировании поверхности пролива СГП были проведены лабораторные и полигонные эксперименты, а полученные результаты обработаны с помощью статистических методов анализа.
Исследование процесса испарения углеводородных жидкостей через СГП четырех фракций пеностекла при различной высоте «сухого» СГП (1,5 … 9 см с шагом 1,5) проводилось в лабораторных условиях с целью определения фракции пеностекла, при которой интенсивность испарения будет минимальна. Подготовленные, взвешенные образцы СГП размещались в химически-стойких полипропиленовых емкостях диаметром 115 мм. Исследуемая жидкость наливалась в центр емкости под слой СГП до уровня 10 мм от основания емкости, после чего емкость с СГП устанавливалась на аналитические весы GR-300. Показания весов снимались через каждые 60 секунд в течение 15 минут. Схема лабораторного оборудования для исследования испарения жидкостей представлена рисунке 4.
0,0000 g
6
5
74 3
0,00
Ф1 – 4 Ф5 – 7 Ф10 – 15
Ф20 – 30
6,0
1,5
7,5
3,0
9,0
4,5
1 – электронные весы; 2 – емкость с жидкостью; 3 – емкости с СГП и жидкостью;
4 – фракции СГП; 5 – мерный стакан; 6 – шприц; 7 – секундомер.
Рисунок 4 – Схема лабораторного оборудования для исследования испарения жидкостей с подложками из гранулированного пеностекла
Интенсивность испарения жидкостей определялась по формуле:
Wmп , (10)
где mп – экспериментальная масса паров углеводородных жидкостей, г; T – время испарения, с; Fи – площадь емкости, м2.
Осредненные значения интенсивности испарения W ́ бензина АИ-92 при экранировании пролива СГП представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Зависимость интенсивности испарения бензина АИ-92 от высоты «сухого» СГП
Установлено, что с увеличением высоты «сухого» СГП интенсивность испарения снижается экспоненциально. В порядке возрастания интенсивности испарения бензина АИ-92 через СГП фракции распределились следующим образом: 1) 5-7, 2) 10-15, 3) 1-4, 4) 20-30 (мм). Высокая интенсивность испарения жидкостей через СГП фракции 1-4 мм обусловлена наименьшей высотой «сухого» слоя относительно общей высоты СГП и значительным влиянием капиллярных сил, у фракции 20-30 мм высокие значения W ́ объясняются низким сопротивлением движению пара из-за высокой пористости слоя.
Следующая серия экспериментов по оценке массы паров ЛВЖ различной функциональной группы (ацетон, бензин, гексан, этиловый спирт, керосин и дизельное топливо) проводилась на СГП фракции 5-7 мм. По результатам эксперимента средний коэффициент экранирования, рассчитанный по формуле (9), составил 0,39±0,03, что близко к значению пористости фракции 5-7 мм (m = 0,385).
Высота зоны, ограниченная НКПР паров углеводородных жидкостей, определялась по известной формуле:
Z 0,26 m 0,33
нкпр n, (11)
Fи T
W`, г/c·м2 0,5
0,4 0,3 0,2 0,1
Ф1-4
Ф5-7
Ф10-15
Ф20-30 Нс, cм
0
0 2 4 6 8 10
C  n нкпр
где mп – масса паров ЛВЖ, испарившихся через слой СГП, кг; ρп – плотность паров углеводородных жидкостей, кг/м3; Снкпр – НКПР паров ЛВЖ, %, об.
На основе полученных экспериментальных данных массы паров жидкости, испарившихся через «сухой» СГП различной высоты по формуле (11), была
проведена оценка высоты зоны, ограниченной НКПР паров углеводородных жидкостей, часть результатов которой представлена на рисунке 6.
Zнкпр, см 8
6 4 2 0
t, с
0 200 400 600 800 1000
Нс этанол керосин авиац. диз топливо
12 Zнкпр, см
10 8 6 4 2
0 t, с
0 200 400 600 800 1000 Hc ацетон гексан бензин АИ-92
Нс = 7,5 см Нс = 4,5 см
Рисунок 6 – Зависимость высоты зоны, ограниченной НКПР паров углеводородных жидкостей, от времени испарения
Анализ результатов расчета высоты зоны, ограниченной НКПР паров углеводородных жидкостей, показал следующее: в начале процесса испарения исследуемых жидкостей высота зоны Zнкпр находится ниже верхней отметки «сухого» СГП и для ее пересечения может потребоваться достаточно продолжительное время, что подтверждает гипотезу о нарушении временного баланса горения жидкостей.
Для экспериментального определения критической высоты «сухого» СГП разработана лабораторная установка, схема которой представлена на рисунке 7.
5
6
250
7
15
3
0,00
2 250
9
12
12345
200
1– емкость для ЛВЖ с плавающей крышкой; 2 – мерная трубка; 3 – кран; 4 – сливной трубопровод; 5 – емкость для СГП; 6 – гранулированная подложка; 7 – сливной кран; 8 – станина; 9 – термоэлектрические преобразователи; 10 – модуль ввода аналоговый МВА-8; 11 – преобразователь интерфейсов RS-485; 12 – персональный компьютер (ПК); 13 – тепловизор Fluke Ti 20; 14 – термоанемометр Testo 425; 15 – емкость для слива; 16 – миллиметровая бумага; 17 – весы лабораторные электронные AND GX-4000
Рисунок 7 – Схема лабораторной установки по определению параметров гашения пламени углеводородных жидкостей СГП
600
13 17
200 150
Испытание образцов СГП проводилось в 2 этапа: на первом этапе определялась критическая высота «сухого» СГП, при которой происходит гашение пламени; на втором этапе измерялось время сгорания паров жидкости, интенсивность испарения и удельная массовая скорость выгорания жидкости на пределе гашения пламени.
Для проведения испытаний подготовлены: металлическая емкость для ЛВЖ d=150 мм с плавающей крышкой 1; емкости для СГП 5 круглого и прямоугольного сечения; мерные трубки 2 и сливные патрубки 3; емкость 1 оборудована сливным трубопроводом 4 с внутренним диаметром 15 мм. Емкости размещались на станинах 8, для измерения температур в слое СГП устанавливались термоэлектрические преобразователи КТХА на расстоянии 5 мм, 15 мм от верхнего уровня СГП и выше границы «сухого» СГП на 5 мм. Через модуль ввода аналоговый МВА-8 10 и преобразователь интерфейсов RS-485 11 подключались к персональному компьютеру 12, температурные поля снимались тепловизором Fluke Ti20 13, температура и скорость движения воздуха измерялась термоанемометром Testo 425 14, слив жидкости осуществлялся в емкость 15, для фиксации геометрических параметров пламени на стене размещалась миллиметровая бумага 16. Инициирование горения производилось лучиной, через 1 минуту после начала горения медленно открывался сливной кран 7 и производился слив ЛВЖ в мерный стакан до момента гашения пламени, затем кран перекрывался, по градуированной мерной трубке определялся уровень жидкости, разница между высотой СГП и уровнем жидкости в емкости 5 являлась критической высотой «сухого» СГП Нкр. Эксперимент повторялся пять раз, осредненные значения Нкр, при которых происходит гашение пламени представлены на рисунке 8.
Нкр, см 10
8 6 4 2 0
y = 0,249x + 2,2525 R2 = 0,9405
Pn, кПа 0 5 10 15 20 25 30
Рисунок 8 – Зависимость критической высоты «сухого» СГП от давления насыщенных паров
Определив значения критической высоты «сухого» СГП Нкр, время «перепада давления» τ∆p рассчитывалось по формуле (2). Распределение значений Нкр наиболее точно описывается линейной зависимостью с функцией у = ax + b, поэтому выражение (3) будет иметь вид:
n p
Н a 2kP b, (12)
кр
где
тогда Нкр можно представить в виде:
m n p
2kP x, (13) m
Нкр = a·x+b (14) Экспериментальная Нкр(э) и расчетная зависимости Нкр(р) от параметра x по
результатам лабораторных испытаний представлены на рисунке 9.
Определив x для каждой из исследуемых жидкостей, вычислялись
коэффициенты a и b для соответствующих x методом наименьших квадратов.
Нкр, м 0,10
0,08 0,06 0,04 0,02
y=Нкр(э)
y = 1,0072x + 0,0032 R2 = 0,9906
y=Нкр(р)
y = 0,9959x + 0,0038 R2 = 1
0,00
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
x
Рисунок 9 – Зависимости критической высоты «сухого СГП Нкр от параметра x
Для точного измерения убыли массы при горении жидкостей использовались аналитические электронные весы AND GX-4000 с дискретностью отсчета от 0,01 г 17 (рисунок 7), а также емкости: круглого сечения из термостойкого стекла диаметром 150 мм и высотой 150 мм и прямоугольного сечения из стали марки ст. 3 толщиной 1,5 мм со сторонами 112 х 157 мм. Время сгорания паров над поверхностью СГП измерялось секундомером и фиксировалось на видеокамеру. В ходе экспериментов оценивалась скорость горения и удельная массовая скорость выгорания углеводородных жидкостей в условиях равновесного состояния СГП при минимальном устойчивом пламени.
Эксперименты по определению параметра Нкр позволили установить следующее: при высоте «сухого» слоя ниже на 10-20 % от Нкр горение происходит на пределе гашения пламени в устойчивом ламинарном режиме, площадь основания пламени смещается к центру емкости, уменьшаясь в несколько раз. Последовательная серия кадров эксперимента по определению времени сгорания паров углеводородных жидкостей и измерению массы при горении жидкостей на аналитических электронных весах представлена на рисунке 10.
a)
12345
б) вспышка паров ацетона без последующего горения Нс = 8 см Рисунок 10 – Последовательная серия кадров эксперимента
При
(относительно быстрое изменение) массы m1 на весах у ряда исследуемых жидкостей (ацетон, бензин АИ-92, гексан, этанол), что говорит о перепаде давления в СГП, вызванное быстрым сгоранием паров (вспышкой). Расчетное время сгорания паровоздушной смеси отличалось от полученных экспериментальных значений в пределах погрешности не более, чем на 10 %.
При установившемся режиме горения, максимальная температура паровой фазы в слое СГП на расстоянии от основания пламени: – 5 мм (точка 1) варьируется 210 – 254 °С; – 15 мм от основания пламени (точка 2) температура значительно снижается и входит в диапазон 115 – 136 °С; на границе раздела паровой и жидкой фазы (точка 3) температура находится в пределах 62 – 74 °С, что близко к температуре кипения бензина, гексана, этанола.
Зависимость высоты пламени от высоты «сухого» СГП при горении исследуемых ЛВЖ в емкости диаметром 150 мм представлена на рисунке 11.
0,00 с 0,05 с 0,13 с 0,26 с
0,32 с
б)
а) вспышка и горение гексана на пределе гашения пламени Нс = 6 см
сгорании паровоздушного облака зафиксирован
«скачок»
Hпл, см 100
80 60 40 20
бензин АИ-92
ацетон
н-гексан
этанол керосин авиац. диз. топливо
Hс, см
0 2 4 6 8 10
Рисунок 11 – Зависимость высоты пламени Нпл от высоты «сухого» СГП Нс
Анализ результатов экспериментов показал, что с увеличением высоты «сухого» СГП высота пламени снижается экспоненциально, а при значениях «сухого» СГП близких к Нкр значительно уменьшается площадь основания пламени и прекращаются пульсации пламени.
Зависимость удельной массовой скорости выгорания жидкости на пределе гашения пламени от критической высоты «сухого» СГП представлена на графике, рисунок 12.
mкр`, 10-3 г/с·м2 0,3
y = 0,0376x – 0,0433 R2 = 0,9848
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
Рисунок 12 – Зависимость критической удельной массовой скорости выгорания углеводородных жидкостей от критической высоты «сухого» СГП
В ходе полигонных испытаний оценивалась высота «сухого» СГП, при котором происходит гашение пламени в поддонах для сбора локальных проливов углеводородных жидкостей различной площади, а также удельная массовая скорость выгорания жидкостей при экранировании пролива жидкости «сухим» СГП и интенсивность испарения жидкостей.
Для проведения испытаний были разработаны переносные поддоны из металла ст.3 толщиной 2 мм, оборудованные патрубками слива и шаровыми кранами с фильтром из металлической сетки для предотвращения засора сливного патрубка гранулами пеностекла. Размеры поддонов сведены в таблицу 1.
Нкр, м 0 2 4 6 8 10
Таблица 1 – Размеры поддонов для полигонных испытаний
Параметр длина, м ширина, м
площадь S, м2
ЛЕ М П1
М П2
М П3
М 1:9,3 1:9,3
1:85,5
0,112 1:1 0,157 1:1
0,018 1:1
0,500 0,700
0,35
1:4,5 1:4,5
1:19,9
0,850 1,190
1,01
1:7,6 1:7,6
1:57,5
1,190 1,405
1,50
Примечание: ЛЕ – лабораторная емкость; П1, П2, П3 – поддоны для полигонных испытаний; М – масштаб.
В качестве экранирующего материала использовалось гранулированное пеностекло марки «Термоизол» фракции 5-7 мм. Углеводородные жидкости (ацетон, бензин АИ-92, н-гексан; этанол, керосин авиационный, дизельное топливо зимнее) наливались через сливной трубопровод емкости с ЛВЖ в центр поддона для сбора пролива углеводородных жидкостей со сливным трубопроводом, расположенном на весах Value VES 50A с дискретностью 1 г, погрешность +-0,05%. Для фиксации области горения использовался тепловизор Fluke Ti20. Температура и скорость воздуха измерялась термоанемометром Testo 425. Уровень жидкости измерялся металлической линейкой (щупом). Время фиксировалось электронным секундомером с дискретностью отсчета – 0,01 с. Схема полигонного экспериментального стенда представлена на рисунке 13.
8 4
0,15 м 7
13 12
9
0,35 м 1
2 3
1 – поддон с СГП; 2 – сливной патрубок с краном; 3 – емкость для сбора ЛВЖ; 4 – станина; 5 – емкость для ЛВЖ; 6 – мерная трубка; 7 – сливной трубопровод; 8 – кран шаровый; 9 – измерительная линейка (щуп); 10 – весы Value VES 50A; 11 – тепловизор Fluke Ti20; 12 – термоанемометром Testo 425; фото-видеокамера
Рисунок 13 – Схема полигонного экспериментального стенда для исследования
параметров гашения пламени локальных проливов ЛВЖ
Схема определения критической высоты «сухого» СГП методом слива углеводородной жидкости представлена на рисунке 14.
10 0,000

1
Нж
2
Нс Нсм 2
Нс 2 Нсм
Нкр
Нсм
3a3б3в
Нс – толщина «сухого» СГП; Нсм – толщина смоченного СГП; Нж – высота уровня жидкости
свободной от СГП; Нкр – критическая высота «сухого» СГП
Рисунок 14 – Схема определения критической высоты «сухого» СГП
Зависимость расчетных значений критической высоты «сухого» СГП от параметра x для поддонов разной площади представлена на рисунке 15, а кросс- плот расчетных и экспериментальных значений критической высоты «сухого» СГП для общей многопараметрической зависимости представлен на рисунке 16.
Нкр, м 0,140
0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020
0,000
0,00 0,05
Fп1=0,018 м2 Fп3=1,00 м2
x
0,10 0,15
Fп2=0,35 м2 Fп4=1,50 м2
Нкр, м 0,14
0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02
0,00
0,00 0,05
Нкр, м
0,10 0,15 Экспериментальные значения
Рисунок 15 – Зависимость расчетных значений критической высоты «сухого» СГП от параметра x для поддонов разной площади
Рисунок 16 – Кросс-плот расчетных и экспериментальных значений критической высоты «сухого» СГП
Погрешность результатов измерений не превышает 10 %, а отклонение экспериментальных от расчетных значений критической высоты «сухого» СГП не превышает 5 %. Расчетное значение получено по выведенной зависимости, а фактическое по результатам проведенных полигонных испытаний.
Распределение критической высоты «сухого» СГП для различной площади поддона приведена на рисунке 17.
Расчетные значения

Нкр, м 0,14
0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
Fп, м2 0 0,5 1 1,5 2 2,5
Ацетон (р) Керосин авиац. (р) Гексан (э)
Бензин АИ-92 (р) ДТ (р)
Этанол (э)
Гексан (р)
Ацетон (э)
Керосин авиац. (э)
Этанол (р)
Бензин АИ-92 (э) ДТ (э)
р – расчет; э – эксперимент
Рисунок 17 – Распределение критической высоты «сухого» СГП от площади поддона
Распределение критической удельной массовой скорости выгорания углеводородных жидкостей в зависимости от параметра x представлено на рисунке 18, а распределение интенсивности испарения углеводородных жидкостей в зависимости от критической высоты «сухого» СГП, при котором горение не поддерживается, представлено рисунке 19.
mкр`·10−3, кг/м2·с 0,3
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05
0 0,00
0,05 Fп1=0,018 м2
Fп3=1,00 м2
x
0,10 0,15
Fп2=0,35 м2 Fп4=1,50 м2
W·10−3, кг/м2·с 0,003
0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0
0,00 0,05 Fп1=0,018 м2
Fп3=1,00 м2
Hкр, м 0,10 0,15
Fп2=0,35 м2 Fп4=1,50 м2
Рисунок 18 – Распределение критической удельной массовой скорости выгорания углеводородных жидкостей в зависимости от параметра
Рисунок 19 – Распределение интенсивности испарения углеводородных жидкостей в зависимости от критической высоты «сухого» СГП, при котором горение не поддерживается
По результатам анализа и обработки экспериментальных данных были получены зависимости, результаты которых сведены в таблицу 2.
Таблица 2 – Результаты полученных зависимостей
Площадь поддона, Fп, м2
Критическая удельная массовая скорость выгорания mкр`·10-4, кг/м2·с
Критическая высота «сухого» СГП Hкр, м
Интенсивность
испарения при условии
Нс=Нкр W`·10-6, кг/м2·с
0,35 1,00 1,50
mкр` = 1,8449x + 0,0229 (15)
Hкр W`0,0002 0, 019
(18)
(19) W ` 1,9174
mкр` = 1,8927x + 0,0265 mкр` = 1,8538x + 0,0303
(16) H (17) H кр
 W `0, 0002 0, 0194
Pn (21) 4, 0013
кр
 W `0, 0003 (20) 0, 0184
Таким образом, в третьей главе работы установлено следующее: критическая высота «сухого» СГП и критическая удельная массовая скорость выгорания жидкости зависят от площади поддона, физико-химических свойств углеводородных сред, физических свойств СГП, при этом критическую высоту «сухого» СГП можно найти, определив интенсивность испарения жидкости по полученной зависимости от давления насыщенных паров при условии Нс=Нкр.
В заключении обобщены основные научные и практические выводы исследования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Аналитический обзор отечественных и зарубежных разработок, направленных на снижение параметров испарения и горения жидкостей с использованием гранулированных материалов, выявил недостаточную изученность вопросов выбора гранулометрического состава и минимальной критической высоты «сухого» СГП, при которой значительно снижаются параметры испарения и обеспечивается эффект гашения пламени.
2.
3. Проведенная оценка геометрических параметров СГП (гранулометрический состав, высота слоя, пористость слоя, насыпная плотность гранул) позволила разработать модель определения высоты «сухого» СГП в условиях равновесного состояния с учетом капиллярного подъема уровня жидкости. Полученные расчетные и экспериментальные зависимости высоты «сухого» СГП от плотности жидкости имеют высокую сходимость.
Установлено, что пеностекло является одним из самых легких,
термостойких, влагостойких и наименее теплопроводных материалов, что позволяет использовать его в качестве СГП, способного держаться на поверхности углеводородных жидкостей, образуя устойчивый изолирующий
слой.
4. Разработана математическая модель скорости испарения углеводородных жидкостей с экранирующим слоем гранулированного пеностекла. Теоретически и экспериментально обоснован выбор фракции пеностекла 5-7 мм, обеспечивающий максимальный экранирующий эффект, при котором минимальная общая высота СГП способствует наибольшему снижению параметров испарения углеводородных жидкостей.
5. Разработана математическая модель расчета критической высоты «сухого» СГП, обеспечивающего гашение пламени в зависимости от физико- химических свойств углеводородных жидкостей различных классов, физических свойств СГП, а также площади покрытия пролива.
6. Получены зависимости критической удельной массовой скорости выгорания от свойств жидкости, свойств СГП, временного показателя градиента давления и зависимости критической высоты «сухого» СГП от интенсивности испарения жидкостей при условии Нс=Нкр для поддонов площадью до 2,5 м2.
7. Разработана методика определения критической высоты «сухого» СГП, при которой достигается эффект гашения пламени, а также лабораторная установка для оценки параметров испарения и гашения пламени через СГП.
8. Разработаны методика и экспериментальная установка по
определению геометрических параметров слоя гранулированного пеностекла, обеспечивающего гашение пламени горючих жидкостей в поддонах для сбора локальных проливов горючих жидкостей и даны рекомендации по применению данных поддонов.