Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій

та у справах захисту населення від наслідків

чорнобильської катастрофи

Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки

Деревинський Денис Миколайович

УДК 614.842.61

Обґрунтування умов застосування вогнегасних речовин

в системах протипожежного захисту

газокомпресорних станцій

21.06.02 – пожежна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України (м. Київ).

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент Шкарабура Микола Григорович, Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, ректор.

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор Акіньшин Валерій Дмитрович, Київський національний університет технології та дизайну, завідувач кафедрою інформаційно-комп’ютерних технологій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Тропінов Олександр Георгійович, НВП „Фактор” (м.Київ), завідуючий відділом вогнегасних речовин.

Провідна установа: Севастопольський військово-морський ордена Червоної Зірки інститут ім. П.С. Нахімова (СВМІ) МО України, кафедра живучості кораблів, водолазних та суднопідіймальних робіт (м. Севастополь).

Захист відбудеться „6” жовтня 2005 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради СРК.26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці УкрНДІПБ МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

Автореферат розісланий „2” вересня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.І. Сопенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Газокомпресорні станції (КС) є найбільш небезпечними серед об’єктів підвищеної пожежо- та вибухонебезпеки, що входять до інфраструктури підприємств транспорту газу. Пожежі на таких об’єктах характеризуються швидкоплинним характером та значними збитками. Вартість тільки одного газоперекачувального агрегату (ГПА) перевищує 10 млн. грн., а побічні втрати від пожежі можуть сягати набагато більших розмірів.

Відомості про пожежі та аварії на об’єктах транспорту газу обмежені, проте відомо, що тільки на магістральних газопроводах у Російській Федерації з 1992 по 2001 роки відбулося 545 аварій, багато з яких супроводжувалися пожежами. Технічні бази газового комплексу України та Росії схожі і мають однакові проблеми з питань забезпечення їх протипожежного захисту. Серед вогнегасників, якими забезпечено КС, переважну більшість складають переносні та пересувні порошкові вогнегасники, споряджені вогнегасними ВС-порошками. У пожежних автомобілях, якими захищаються КС, найбільш поширено застосовують біологічно “жорсткі” піноутворювачі загального призначення “ПО-6К” та ПО-1, які не відповідають вимогам ДСТУ 3789.

Найбільшу пожежну небезпеку мають такі КС, на яких застосовуються газоперекачувальні агрегати з газотурбінним приводом, що обумовлено наявністю природного газу, який перекачується нагнітачами під високим тиском, та значної кількості турбінної оливи ТП-22. Для їх протипожежного захисту на КС магістральних газопроводів України „Союз” та „Уренгой-Помари-Ужгород” застосовано комбіновані автоматичні установки газового пожежогасіння з використанням в них галону 1301 або хладону 2402 (у тому числі його сумішей з діоксидом вуглецю), які є чинниками руйнування озонового шару Землі.

Негативно впливає на ефективність систем протипожежного захисту КС в Україні низка факторів, серед яких можна відзначити наступні:

- обмеженість та протиріччя даних стосовно пожежної небезпеки горючого середовища в замкненому просторі, яке створюється системою "турбінна олива ТП-22 – пари оливи – повітря" за наявності нагрітих поверхонь; недостатній рівень знань стосовно процесів взаємодії газових озононеруйнівних вогнегасних речовин з таким середовищем, а також необхідних умов їх подавання при застосуванні технологій пожежогасіння та флегматизування;

- відсутність достовірних даних щодо ефективності гасіння турбінної оливи ТП-22 сучасними піноутворювачами та вогнегасними порошками; необґрунтованість рекламних даних деяких вогнегасних речовин та технічних засобів їх застосування;

Викладене обумовлює актуальність роботи щодо обґрунтування умов застосування сучасних вогнегасних речовин у системах протипожежного захисту газокомпресорних станцій магістральних газопроводів, спрямованої на їх удосконалення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились у рамках виконання „Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 01.06.2002 р. №870, “Програми припинення виробництва та використання озоноруйнівних речовин на 2004-2030 роки”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 4 березня 2004 р. № 256, під час виконання “Тематичного плану науково-дослідних і експериментально-конструкторських робіт ДК “Укртрансгаз” на 2003 р. №12 від 18.12.20 02р. (тема 33/24 “Провести аналітичні та експериментальні дослідження стану пожежної небезпеки укриттів ГПА газопроводу “Союз” та розробити пропозиції про внесення змін і доповнень до нормативних документів, які регламентують забезпечення їх протипожежного захисту, а також проект “Інструкції (методичних рекомендацій) з проведення обстежень установок газового пожежогасіння компресорних станцій ДК “Укртрансгаз”, в яких використовуються озоноруйнівні вогнегасні речовини (галон 1301 та хладон 114В2)”), а також науково-дослідних робіт УкрНДІПБ МНС України за такими темами:

- “Проведення експериментальних досліджень – випробовувань установок газового пожежогасіння з визначення раціональних параметрів подавання вогнегасної речовини в контейнер приводу ГПА” (договір № 118а-03 від 02.06.2003 р.);

- "Проведення досліджень та випробувань зразка спеціального пожежного ствола S2 "PYROCOOL RAMBO JET"" (договір № 106-02 від 07.05.2002 р.);

- „Функції НДЦ-2” (інв. № 1262-0).

Мета роботи – удосконалення систем забезпечення протипожежного захисту газокомпресорних станцій магістральних газопроводів шляхом обґрунтування вибору виду, технологій та параметрів застосування вогнегасних речовин, які відповідають сучасним екологічним вимогам.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести аналіз нормативної бази та існуючих систем протипожежного захисту газокомпресорних станцій, особливостей пожежної небезпеки ГПА з газотурбінним приводом, технологій і умов застосування в них вогнегасних речовин, а також виявити шляхи удосконалення протипожежного захисту КС;

- експериментально визначити динаміку зростання температур нагрітих поверхонь всередині контейнера газотурбінного приводу діючого ГПА від початку його роботи до виходу на робочий режим, а також визначити змінення концентрацій діоксиду вуглецю всередині контейнера з моменту спрацювання автоматичної установки газового пожежогасіння;

- експериментально визначити пожежонебезпечні властивості системи "турбінна олива ТП-22 – пари оливи – повітря", а також умови флегматизування її газового горючого середовища діоксидом вуглецю в замкненому просторі з урахуванням динаміки зміни його температур;

- експериментально визначити умови ефективного гасіння турбінної оливи ТП-22 вогнегасним АВС-порошком, а також пінами низької та середньої кратностей при застосуванні робочих розчинів біологічно “м’яких” піноутворювачів загального та спеціального призначення; теоретично та експериментально визначити інгібувальні властивості, вогнегасну і флегматизувальну здатності озононеруйнівного хладону 125 та його бінарних сумішей з діоксидом вуглецю;

- провести техніко-економічні розрахунки щодо обґрунтування доцільності застосування технології протипожежного захисту ГПА з газотурбінним приводом із використанням діоксиду вуглецю низького тиску;

- розробити концептуальні аспекти забезпечення протипожежного захисту укриттів ГПА із використанням ефективних вогнегасних речовин і технологій їх застосування з урахуванням сучасних екологічних вимог та техногенної безпеки, а також розробити пропозиції щодо внесення змін та доповнень в існуючу нормативну базу стосовно удосконалення протипожежного захисту КС.

Ідея роботи полягає у теоретичному та експериментальному визначенні ефективних технологій і умов застосування озононеруйнівного діоксиду вуглецю, а також сучасних вогнегасних АВС-порошків та біологічно “м’яких” піноутворювачів для використання їх у системах протипожежного захисту газокомпресорних станцій магістральних газопроводів України.

Об’єкт досліджень – пожежна небезпека газокомпресорних станцій та газоперекачувальних агрегатів, системи і засоби їх протипожежного захисту.

Предмет досліджень – процеси виникнення та припинення горіння, а також процеси взаємодії вогнегасних речовин з турбінною оливою ТП-22, найбільш поширеною горючою речовиною, яка використовується на КС.

Методи досліджень. У роботі використано комплексний метод досліджень, що включав аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень щодо протипожежного захисту КС; фізико-хімічні методи досліджень (термогравіметричний аналіз, оптична спектроскопія, термометрія, мас-спектрометрія, газовий аналіз та титрування); теоретичні розрахунки рівня забезпечення пожежної безпеки об’єкта методом Гретенера. Мінімальні вогнегасні та флегматизувальні концентрації бінарних сумішей пентафторетану з діоксидом вуглецю теоретично розраховували за відомою формулою, експериментальні значення мінімальних вогнегасних концентрацій, а також температур самозаймання оливи та її окремих фракцій визначали з використанням методик, передбачених стандартами. Дослідження з визначення ефективних умов подавання вогнегасних порошків та піноутворювачів, технічних засобів, а також технологій їх застосування здійснювались на модельних та макетних вогнищах класів А та В в умовах полігонних випробувань з використанням метрологічно атестованого обладнання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше експериментально встановлено, що за відсутності джерела запалювання в замкненому просторі горючого газового середовища з вмістом оливи ТП-22, її парів та повітря температура 298 С, яка дорівнює 80 % від температури самозаймання оливи ТП-22 (372С), визначеної за ГОСТ 12.1.004-91, не є гранично припустимою безпечною температурою. За температури 230–235 С в цій системі відбувається різке прискорення екзотермічної реакції та збільшення швидкості втрати маси оливи, що пояснено її займанням;

- вперше експериментально підтверджено висунуте теоретичне припущення про зниження температури самозаймання оливи ТП-22 під час її експлуатації в системах змащення та охолодження ГПА внаслідок випаровування легких фракцій та зміни її структурно-групового складу. Різниця між температурами самозаймання турбінної оливи та її важкими фракціями перевищує 100 С;

- вперше встановлено граничні умови перетворення горючого газового середовища, що утворюється в замкненому просторі системи „турбінна олива ТП-22 – пари оливи – повітря”, на негорюче, а саме: при перевищенні в ньому концентрації діоксиду вуглецю вище значень 65% забезпечується його флегматизування у діапазоні температур від 20 С до 500 С;

- теоретично і експериментально визначено інгібувальні, вогнегасні та флегматизувальні властивості озононеруйнівного хладону R-125, а також його бінарних сумішей з діоксидом вуглецю, встановлено відсутність неадитивних ефектів для таких сумішей. Виявлено, що залежність значень мінімальних вогнегасних концентрацій при гасінні турбінної оливи ТП-22 від вмісту хладону R-125 у його сумішах з діоксидом вуглецю має експоненційний характер. Доведено переваги діоксиду вуглецю (зокрема, низького тиску) порівняно з хладоном R-125 та їх сумішами, а також озоноруйнівними хладонами 1301 і 2402, що дозволило обґрунтувати доцільність його застосування в автоматичних системах протипожежного захисту;

- вперше експериментально встановлено, що біологічно "м’які" піноутворювачі типу “Сніжок-1” та "ПО-6ОСТ" при гасінні турбінної оливи ТП-22 піною середньої кратності за значенням критичної інтенсивності подавання у 2,5 рази більш ефективні, ніж біологічно "жорсткий" піноутворювач ПО-6К (0,014 та 0,035 кг/(см2) відповідно), а піноутворювачі спеціального призначення типу "ППЛВ-(Універсал)" та "AFFF-106" за значенням критичної інтенсивності подавання піни низької кратності при гасінні турбінної оливи ТП-22 у 4 рази більш ефективні, ніж при застосуванні піни середньої кратності, генерованої з робочого розчину піноутворювача ПО-6К (не вище 0,009 та 0,035 кг/(см2) відповідно). Встановлено, що вогнегасний АВС-порошок П-2АПМ за ефективністю гасіння турбінної оливи ТП-22 та бензину А-76 не поступається вогнегасному ВС-порошку типу “Gloria”, що дає підставу рекомендувати АВС-порошок на заміну ВС-порошків, як придатного до гасіння більшої кількості класів пожеж.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується коректністю поставлених задач, застосуванням апробованих фізико-хімічних та аналітичних методів досліджень, необхідним об’ємом експериментального матеріалу, отриманого з використанням стандартних методик і метрологічно атестованого обладнання, а також задовільною збіжністю результатів теоретичних та експериментальних даних, поширеною апробацією з практичним впровадженням результатів роботи.

Наукове значення роботи полягає у розкритті особливостей пожежної небезпеки системи "турбінна олива ТП-22 - пари турбінної оливи - повітря" у діапазоні температур від 20 до 500 °С, визначенні умов флегматизування діоксидом вуглецю газоповітряного середовища в замкненому просторі з наявністю такої системи, а також обґрунтуванні технологій та умов застосування вогнегасних речовин у системах протипожежного захисту газокомпресорних станцій на заміну речовинам, які не відповідають сучасним екологічним вимогам.

Практичне значення отриманих результатів полягає у більш реальному, порівняно з діючими методами, визначенні пожежної небезпеки технологічних об’єктів з наявністю нагрітої турбінної оливи ТП-22, її парів та повітря, що дозволяє уникати помилок при виборі технічних рішень щодо їх протипожежного захисту. Встановлення граничних умов перетворення горючого газового середовища, яке утворюється в замкненому просторі системи „турбінна олива ТП-22 – пари оливи – повітря” у діапазоні температур від 20 до 500 С, на негорюче, дозволяє проектувати більш ефективні автоматичні установки пожежогасіння для об’єктів з наявністю такої системи. При заміні застарілих вогнегасних речовин в системах протипожежного захисту КС на сучасні із запропонованими умовами їх застосування, пожежна небезпека КС знижується за розрахунковими даними на 20 %, при цьому забезпечується екологічна складова техногенної та пожежної безпеки.

На основі результатів дисертаційних досліджень за участю дисертанта розроблено Концептуальні аспекти забезпечення протипожежного захисту укриттів газоперекачувальних агрегатів компресорних станцій ДК "Укртрансгаз", які ухвалено науково-технічною радою ДК „Укртрансгаз”. Цим документом передбачено застосування в системах протипожежного захисту газокомпресорних станцій сучасних екологічно безпечних вогнегасних речовин з обґрунтованими дисертантом умовами їх застосування.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці мети і задач досліджень, формулюванні ідеї роботи, основних наукових положень, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, узагальненні результатів, участі у розробленні Концептуальних аспектів забезпечення протипожежного захисту укриттів газоперекачувальних агрегатів компресорних станцій ДК "Укртрансгаз". У публікаціях із співавторами основні ідеї належать здобувачу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися на міжнародній науково-практичній конференції „Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий” (НДІГС, м. Донецьк, 2002 р.), II-й науково-технічній конференції „Живучість корабля і безпека на морі” (Севастопольський військово-морський ордена Червоної Зірки інститут ім. П.С. Нахімова, м. Севастополь, 28-30 травня 2003 року), III-й науково-технічній конференції ВМС ЗС України „Стан і розвиток ВМС Збройних Сил України на сучасному етапі” (м. Севастополь, 27-28 листопада 2003 року), VI-й науково-практичній конференції „Пожарная безопасность – 2003” (АПБУ, м. Харків, 2003 р.), II-й Міжнародній науково-практичній конференції „Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (м. Мінськ, 23-25 липня 2003 р.), Міжнародній семінар-нараді „Охорона праці та промислова безпека на підприємствах НАК „Нафтогаз України”” (с. Партеніт, АР Крим, 27 вересня – 02 жовтня 2004 року), IІI-й Міжнародній науково-практичній конференції „Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (м. Мінськ, 7-9 липня 2005 р.), IІI-й міжнародній науково-технічній конференції „Живучість корабля і безпека на морі” (Севастопольський військово-морський ордена Червоної Зірки інститут ім. П.С. Нахімова, м. Севастополь, 25-27 травня 2005 року).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 24 роботи, з них 11 наукових статей у виданнях, включених до переліку ВАК України, 13 тез доповідей на національних та міжнародних науково-практичних конференціях, семінарах тощо.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і загальних висновків, містить 191 сторінку друкованого тексту, 25 таблиць, 41 ілюстрацію та 6 додатків, список використаних літературних джерел з 176 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтовано вибір та актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, відображено наукову новизну, особистий внесок здобувача та практичну значимість роботи.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ наведено результати аналізу пожежної небезпеки газокомпресорних станцій та систем їх протипожежного захисту.

Аналіз пожежної небезпеки КС країн СНД свідчить про те, що в системах їх протипожежного захисту застосовують первинні засоби пожежогасіння (переважно порошкові вогнегасники з вогнегасним ВС-порошком), пересувну пожежну техніку (пересувні вогнегасники, пожежні автомобілі), а також автоматичні установки пожежогасіння.

При використанні пересувної пожежної техніки для гасіння пожеж застосовують біологічно “жорсткі” піноутворювачі загального призначення “ПО-1”, “ПО-1Д” та “ПО-6К”, які належать до речовин 3 класу небезпечності за ГОСТ 12.1.007-76, у той час, як згідно з вимогами ДСТУ 3789, піноутворювачі загального призначення повинні належати до 4 класу і бути біологічно “м’якими”. Піноутворювачі “ПО-1”, “ПО-1Д” та “ПО-6К” не задовольняють вимогам зазначеного стандарту за показником вогнегасної здатності.

В Україні існує виробництво якісних піноутворювачів як загального, так і спеціального призначення („Сніжок-1”, „ППЛВ-(Універсал)” марок 103, 103М, 106, та 106М, „AFFF-106”, “S.F.P.M. 6/6”, тощо). Крім того, на ринку широко представлено піноутворювачі закордонного виробництва, такі як “ТЭАС”, “ПО-6ОСТ” (марки 1, 2), “ПО-6ТС” марки А, “ПО-6МТ”, “ПО-6ТС-М”, “Морпен”, “Expandol” (загального призначення), “ПО-6ТФ” “Fluoropolydol” (спеціального призначення) та інші. Дослідженнями, що проводились Боровиковим В., Антоновим А., Білкуном Д., Білошицьким М., Шароварніковим О., Реуттом В., Безродним І. та ін., підтверджено їх високу ефективність при гасінні пожеж класу В за ГОСТ 27331. Проте проведений аналіз літературних джерел не виявив наявності відомостей щодо ефективності гасіння турбінної оливи ТП-22 сучасними піноутворювачами.

Переносні та пересувні вогнегасники, якими споряджено КС, в якості заряду містять в собі переважно вогнегасні ВС-порошки, які не придатні для гасіння пожеж класів А, а також комбінованих пожеж з наявністю такого класу, у той же час, відомостей про ефективність гасіння турбінної оливи ТП-22 вогнегасними АВС-порошками за аналізом літературних джерел також не виявлено.

На об’єктах транспорту газу Росії визначилась стійка тенденція пріоритетності газового пожежогасіння (62,6 % в автономному використанні та 79,6 % у складі комбінованих технологій). Практичний досвід показав, що установки пінного пожежогасіння часто не спрацьовують, насоси піноутворювачів “закоксовуються”, піна утворюється не завжди якісною. Зважаючи на це в Російській Федерації застосування на компресорних станціях установок пінного пожежогасіння у відповідності з відомчим нормативним документом ВРД 39-1.8-005-2002 заборонено. Цим же документом заборонено і застосування на таких об’єктах систем аерозолевого пожежогасіння.

Найбільшу пожежну небезпеку мають такі КС, на яких наявні газоперекачувальні агрегати з газотурбінним приводом (ГПА), що обумовлено наявністю природного газу, який перекачується нагнітачами під високим тиском, паливного газу, та значної кількості турбінної оливи, зокрема, ТП-22. В системах протипожежного захисту ГПА такого типу на КС газопроводів „Союз” та „Уренгой-Помари-Ужгород” України застосовано комбіновані автоматичні установки газового пожежогасіння з використанням в них СО2 високого тиску для захисту замкненого простору під кожухом, та галону 1301 або хладону 2402 для захисту всього об’єму укриття ГПА. На підприємствах тільки ДК “Укртрансгаз” експлуатуються понад 100 установок пожежогасіння, споряджених галоном 1301 або хладоном 2402.

Основною причиною пожеж на КС з ГПА такого типу є загоряння турбінної оливи при її контакті з нагрітими технологічними поверхнями.

Кожна газотурбінна установка має індивідуальну масляну систему, що служить для змащування підшипників турбін, їх охолодження та ущільнення. В цих системах нагріта олива циркулює під тисками від 0,03 до 0,5 МПа. Тиск оливи в системі ущільнення нагнітачів складає від 5,5 до 10,0 МПа. Через значну кількість оливи пожежа розвивається настільки швидко, що через 10-15 хв. в зоні горіння відбувається обвалення перекриття. Як правило, в результаті пожежі виходять з ладу турбіна, автономний щит управління, вигорають кабелі в зоні пожежі, слід відзначити, що для змащування поверхонь турбіни необхідне подавання оливи до повної зупинки її ротора. „Вибіг” ротора (проміжок часу обертання після відключення турбіни) складає 15 хв. Протягом цього часу головний масляний насос, встановлений на валу ротора турбіни, продовжує подавати оливу.

З метою відокремлення нагрітих до високих температур технологічних поверхонь турбіни, камер згоряння і вихлопної труби газотурбінного приводу від решти об‘єму укриття ГПА вищевказаних типів, цей привід розміщено в металевому контейнері, вільний простір в якому становить близько 90 м3.

Найвагомішій внесок у дослідження пожежонебезпечних властивостей турбінної оливи ТП-22, та її парів, а також у пошук ефективних вогнегасних речовин для їх використання у системах протипожежного захисту об’єктів з її наявністю було зроблено ученими ВНДІПО Копиловим Н., Пустинніковим С., Чібісовим А., Смірновою Т., Моісеєнком В., Мольковим В., Меркуловим В., Агафоновим В. тощо. В останні роки проблема заміни озоноруйнівних технологій протипожежного захисту об’єктів знайшла відображення у наукових працях українських дослідників, зокрема в роботах Дунюшкіна В., Пономарьова С., Орла В., Сушка В., Гамери А., Цапка Ю., Антонова А. тощо. Зокрема, Цапком Ю., Антоновим А. та Орлом В. встановлено факт підвищення на 183 С температури самозаймання парів оливи у середовищі з вмістом 41,9% СО2, 12,5% кисню, 45,6% азоту, порівняно з визначеною у стандартних умовах. Цими ж авторами встановлено підвищення мінімальної вогнегасної концентрації СО2 для парів оливи за температури 320 С до 31,0 % порівняно з 22,0 % СО2 за температури 240 С.

Тропіновим О., Жартовським В., Откідачем М., Цапком Ю. досліджено інгібувальні властивості хладонів 2402 та 1301, діоксиду вуглецю та азоту. Хладони з нульовим озоноруйнівним потенціалом залишились у їх роботах поза увагою.

На підставі аналізу зроблено висновок, що основними шляхами підвищення пожежної безпеки газокомпресорних станцій магістральних газопроводів є використання в системах їх протипожежного захисту озононеруйнівних газових вогнегасних речовин, вогнегасних АВС-порошків і біологічно „м’яких” піноутворювачів, ефективних технічних засобів, технологій та науково обґрунтованих умов їх застосування, а також сформульовано мету та задачі досліджень дисертаційної роботи.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень з визначення ефективності вогнегасних речовин, а також умов та технологій їх застосування під час припинення горіння горючих речовин.

В якості газових вогнегасних речовин поряд з інгібіторами горіння (хладони 13В1 (1301), 114В2 (2402), 125, 23, 227еа, 236 ef тощо) та інертними розріджувачами (inergen (IG-541), argonite (IG-55), діоксид вуглецю (СО2), азот (N2) тощо) застосовуються або можуть бути перспективними і їх суміші (15% 2402 + 85% СО2, 50% 2402 + 50% СО2 тощо).

Виробництво пентафторетану (хладон 125) налагоджено у деяких країнах, але застосування цієї речовини в системах протипожежного захисту стримується, насамперед, відсутністю даних щодо інгібувальних властивостей, флегматизувальної та вогнегасної здатностей її сумішей з інертними розріджувачами, зокрема, з СО2.

Виявлення впливу на активні ОН-радикали полум’я хладону 125 було проведено з використанням установки та методики дослідження, наведених у роботах Тропінова А., Жартовського В., Антонова А. Краснянського М.. Криві залежностей отримані за результатами власних досліджень в порівнянні з результатами, отриманими Жартовським В., Откідачем М., Цапком Ю., Тропіновим О. наведено на рис. 1.

Рис. 1. Залежність відносної інтенсивності випромінювання гідроксильних радикалів Івідн. від витрати газових вогнегасних речовин ?, що подаються в полум’я н-гептану: 1 – азот*; 2 – діоксид вуглецю*; 3 – хладон 125 (експериментальні значення); 4 – хладон 125 (теоретичні значення); 5 – хладон 13В1*; 6 – хладон 114В2*.

Примітка: *- результати отримані Жартовським В., Откідачем М., Цапком Ю., Тропіновим О.

Аналіз отриманих результатів, які наведено на рис. 1, та літературних даних щодо мінімальних вогнегасних концентрацій для досліджених речовин дозволяє зробити висновок, що ряд ефективності за інгібувальною здатністю співпадає з рядом ефективності за їх мінімальними вогнегасними концентраціями і має наступний вигляд у напрямку зменшення: хладон 2402 – хладон 1301 – хладон 125 – СО2 – N2.

Ефективність бінарних сумішей хладону 125 з діоксидом вуглецю при гасінні турбінної оливи ТП-22 визначали за їх мінімальними вогнегасними концентраціями з використанням установки, передбаченої ДСТУ 3858.

За формулою (1), запропонованою Ніколаєвим В., проведено теоретичні розрахунки вогнегасної та флегматизувальної концентрації сумішей хладону 125 з діоксидом вуглецю:

, (1)

де Свогн. – вогнегасна концентрація комбінованого складу, % об.;

СО2(СО2) – концентрація кисню, яка відповідає вогнегасній концентрації

діоксиду вуглецю, % об.;

СО2(хл) –концентрація кисню, яка відповідає вогнегасній концентрації хладону, % об.;

Схл – вогнегасна концентрація хладону, % об.;

nхл – обємна частка хладону у бінарній суміші.

На рис. 2 зображені криві залежностей мінімальних вогнегасних концентрацій від частки хладону в суміші отримані розрахунковим та експериментальним шляхами.

Рис. 2. Залежність мінімальних вогнегасних концентрацій бінарних сумішей діоксиду вуглецю з хладоном R-125 від частки хладону в суміші: 1 – значення, отримані експериментально для гасіння полум’я турбінної оливи ТП-22; 2 – значення, отримані розрахунковим методом для гасіння полум’я турбінної оливи ТП-22.

На рис. 2 відображено, що експериментальні значення мінімальних вогнегасних концентрацій при гасінні полум’я турбінної оливи ТП-22 дещо перевищують значення, отримані розрахунковим методом, що може бути пояснено відмінністю температур, за яких проводились дослідження. Крива залежності значень мінімальних вогнегасних концентрацій при гасінні турбінної оливи ТП-22 від вмісту хладону R-125 у його бінарній суміші з діоксидом вуглецю має експоненційний характер, що свідчить про відсутність неадитивних ефектів.

Результати розрахунку орієнтовної вартості бінарних сумішей хладону 125 з СО2, необхідних для створення мінімальних та нормативних вогнегасних і флегматизувальних концентрацій порівняно з індивідуальними їх складовими, показали, що вартість захисту одиниці умовного об’єму для бінарної суміші хладону R-125 з діоксидом вуглецю значно перевищує вартість захисту діоксидом вуглецю як індивідуальною речовиною.

З метою обґрунтування рішення щодо можливості заміни вогнегасного порошку "Gloria", яким споряджено пересувні та переносні порошкові вогнегасники під час введення КС до експлуатації ще у 70-80-ті роки, на сертифікований вогнегасний порошок П-2АПМ, було проведено дослідження з визначення ефективності гасіння ними турбінної оливи ТП-22, результати яких наведено у таблиці 1.

На підставі аналізу результатів, наведених у таблиці 1, зроблено висновок, що за вогнегасною здатністю при гасінні турбінної оливи ТП-22 та бензину А-76 вогнегасні порошки "Gloria" та П-2АПМ між собою практично не відрізняються, але вогнегасний порошок П-2АПМ придатний до гасіння пожеж класу А на відміну від порошку "Gloria".

Таблиця 1

Результати визначення ефективності гасіння вогнегасними порошками модельних вогнищ класів А, В та турбінної оливи ТП-22 порошковими вогнегасниками типу ВП-5

Марка порошку | Модельне вогнище пожежі, вид палива | Результат

гасіння | Усереднене значення питомої маси порошку, витраченого на гасіння, кг/м2

"Gloria" | 2А | не погашено | --

П-2АПМ | 2А | погашено | 0,47 ± 0,01

"Gloria" | 55В, бензин А-76 | погашено | 0,83 ± 0,01

П-2АПМ | 55В, бензин А-76 | погашено | 0,94 ± 0,04

П-2АПМ | 55В, олива ТП-22 | погашено | 0,78 ± 0,03

П-2АПМ | 144В, олива ТП-22 | погашено | 1,00 ± 0,01

Проведеними дослідженнями з виявлення ефективності піноутворювачів, експериментально визначено, що найкраща піноутворювальна здатність біологічно “м’яких” піноутворювачів загального призначення “Пегас”, “Сніжок-1”, “ТЕАС” реалізується за значень тисків перед піногенераторами середньої кратності у діапазоні від 0,4 до 0,6 МПа. Виявлено, що значення критичної інтенсивності подавання при гасінні модельних осередків пожежі класу В піною середньої кратності зменшується у 1,5-2,5 рази із зростанням кратності від 25 до 100, значення критичної інтенсивності подавання піни з кратністю 100 у 1,5-1,7 разів нижче, ніж у піни низької кратності з кратністю 6-7.

Ефективність піноутворювачів загального та спеціального призначення при гасінні турбінної оливи ТП-22, яку наведено в таблиці 2, визначали з урахуванням вимоги державних стандартів та методики УкрНДІПБ, з використанням метрологічно атестованого обладнання.

Таблиця 2

Результати досліджень з визначення критичної інтенсивності подавання та ефективності піноутворювачів при гасінні турбінної оливи ТП-22

Марка піноутворювача / вид піни за кратністю | Критична інтенсивність подавання, кг/(см2) | Питома маса, витрачена на гасіння, кг/м2

“ПО-6К” / середня | 0,035 ± 0,001 | 4,18 ± 0,46

“Сніжок-1” / середня | 0,014 ± 0,001 | 1,41 ± 0,19

“ПО-6ОСТ” / середня | 0,014 ± 0,001 | 1,52 ± 0,19

“AFFF-106” / низька | 0,009 ± 0,001 | 2,06 ± 0,29

“ППЛВ-(Універсал)” марки 106 / низька | 0,009 ± 0,001 | 1,26 ± 0,17

Аналіз результатів, наведених у таблиці 2, дав підставу зробити наступні висновки:

- біологічно "м’які" піноутворювачі типу “Сніжок-1” та "ПО-6ОСТ" при гасінні турбінної оливи піною середньої кратності за значенням критичної інтенсивності подавання у 2,5 рази, а за питомою масою, витраченою на гасіння, майже у 3 рази більш ефективний, ніж біологічно "жорсткий" піноутворювач ПО-6К;

- піноутворювачі спеціального призначення типу "ППЛВ-(Універсал)" та "AFFF-106" за значенням критичної інтенсивності подавання піни низької кратності при гасінні турбінної оливи ТП-22 майже у 4 рази більш ефективні, ніж піноутворювач ПО-6К.

При гасінні модельних та макетних вогнищ пожеж класів А та В експериментально встановлено непридатність застосування ствола S2 “Pyrocool Rambo Jet” із використанням розпиленого водного розчину сухого змочувальника “Pyrocool” для гасіння пожеж класу В та відсутність збільшення охолоджувального ефекту та витрати вогнегасної речовини у разі гасіння модельного вогнища пожежі класу А порівняно з випадком застосування води.

Визначено тактико-технічні можливості піногенераторів "Пурга-5", ГПС-600 і ствола СПП та вогнегасну ефективність за класом пожеж В пін, що генеруються цими стволами. Встановлено, що установка комбінованого гасіння пожеж "Пурга-5" є піногенератором, який забезпечує за тиску 0,8 МПа подавання струменя піни середньої кратності на висоту до 9 м та довжину до 17 м. При гасінні однакової поверхні горіння легкозаймистої (горючої) рідини при застосуванні піногенератора "Пурга-5" тривалість гасіння і об'єм розчину піноутворювача виявилися вдвічі більшими порівняно з піногенератором ГПС-600. З точки зору висоти і довжини струменя, а також ефективності гасіння "Пурга-5" не має переваг відносно ствола СПП, який генерує піну низької кратності і формує її струмінь довжиною до 26 м і висотою до 16 м. При цьому у разі застосування плівкоутворювальних піноутворювачів типу "ППЛВ-(Універсал)" забезпечуються більш комфортні умови праці пожежників, а також протягом 9-11 хвилин запобігається повторне загоряння поверхні горючої рідини.

Проведено аналітичні дослідження, а також розрахунки рівня пожежної небезпеки ГПА з газотурбінним приводом та його укриття, який є типовим для КС газопроводів „Союз” та „Уренгой-Помари-Ужгород” ДК „Укртрансгаз”, за методикою ГОСТ 12.1.004 з використанням методу Гретенера і показано, що рівень пожежної небезпеки із запроектованою системою протипожежного захисту такого об’єкту має значення 0,70, а при застосуванні запропонованих екологічно безпечних вогнегасних речовин цей рівень знижується до значення 0,58, тобто на 20 %.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ наведено результати досліджень з визначення пожежонебезпечних властивостей системи „турбінна олива ТП-22 (рідина) – пари оливи – повітря” та визначення ефективних умов її флегматизування.

В умовах діючого ГПА з газотурбінним приводом експериментально визначено динаміку зростання та значення температур нагрітих поверхонь всередині контейнера газотурбінного приводу від початку його роботи до виходу на робочий режим (рис. 3), а також ефективність флегматизування системи "турбінна олива ТП-22 – пари оливи – повітря" діоксидом вуглецю високого тиску при спрацюванні штатної автоматичної установки газового пожежогасіння (рис. 4). Виявлено, що за проміжок часу від моменту запуску до зупинки ГПА найвище значення температури 201 °С було досягнуто на корпусі турбіни (крива 4), на поверхні вихлопної труби температура становила 185 °С (крива 5), а на корпусі камери згоряння – 180 °С (крива 3). Температура на кожусі валу та температура повітря допоміжного відсіку залишилися майже без змін (25-30 °С). Кути нахилу кривих 3,4,5 свідчать про те, що температури на поверхнях під кожухом ГПА не досягли своїх максимальних значень і на момент зупинки продовжували зростати. Швидкості зростання температур на корпусі камери згоряння, корпусі турбіни та поверхні вихлопної труби в різні проміжки часу становили 2-7 °С/хв.

Рис. 3. Графік зміни температури в різних точках під кожухом ГПА після початку його роботи, виходу на робочий режим, та спрацювання системи газового пожежогасіння: 1- кожух валу; 2 - повітря допоміжного відсіку; 3 - корпус камери згоряння; 4 - корпус турбіни; 5 - поверхня вихлопної труби; 6 - повітря вихлопного відсіку.

Після відключення газотурбінного приводу та пуску установки автоматичного газового СО2-пожежогасіння температури на корпусі камери згоряння, корпусі турбіни та поверхні вихлопної труби (криві 3,4,5 рис. 3) за подальші 20 хвилин зменшились не більше ніж на 25-30 °С.

Рис. 4. Динаміка зміни концентрації СО2 в різних боксах контейнеру ГПА після спрацювання системи пожежогасіння: 1 – бокс допоміжного обладнання; 2 – бокс турбіни; 3 – бокс вихлопу; 4 – нормативна об’ємна вогнегасна концентрація (34 %) за табл. Д.4 ДБН В.2.5-13-98.

Проміжок часу, за який утворилась нормативна об’ємна вогнегасна концентрація СО2 (не менше 34 % об.) у внутрішніх об’ємах контейнера приводу ГПА, що захищаються (бокс допоміжного обладнання, бокс турбіни, бокс вихлопу) не перевищував значення 60 с, проте концентрація діоксиду вуглецю у внутрішніх об’ємах контейнера приводу ГПА, що захищаються (бокс допоміжного обладнання, бокс турбіни, бокс вихлопу), підтримувалась на рівні вище нормативної вогнегасної концентрації (34% об.) протягом 16 хв. від моменту спрацювання установки СО2-пожежогасіння, що в 2,5 рази менше ніж передбачено технічною документацією (40 хв.) на таку установку. Цей факт можна пояснити характерними недоліками автоматичної установки газового СО2-пожежогасіння високого тиску, а саме: при подаванні розрахункової кількості діоксиду вуглецю протягом тривалого часу можливе обмерзання (обледеніння) трубопроводів подачі СО2 (магістральних або розподільчих), внаслідок чого зменшується пропускна здатність трубопроводу і не забезпечується розрахункова (необхідна) витрата вогнегасної речовини.

Із застосуванням методу термогравіметричного аналізу за розробленою методикою (рис. 5) експериментально визначено пожежонебезпечні властивості системи "турбінна олива ТП-22 – пари оливи – повітря" та умови її флегматизування діоксидом вуглецю з урахуванням динаміки зміни температури у діапазоні від 20 до 500 °С та складу горючого газового середовища в замкненому просторі.

Сутність експериментального дослідження полягала у визначенні втрати маси турбінної оливи ТП-22 при заданій швидкості підвищення температури за різних умов вентилювання, яке здійснювали сумішшю діоксиду вуглецю (СО2) та повітря за різних співвідношень цих компонентів (безпосередньо повітря, 25%, 47%, 65%, 83% СО2).

Рис. 5. Принципова схема розташування термопар, зразків та системи продування в приладі під час проведення термічного аналізу: 1 – платинові тиглі зі зразками; 2 – термопари; 3 – кварцовий стакан; 4 – балон з газовою сумішшю; 5 – гумові трубки; 6 – газовий ротаметр; 7 – шляхи виходу надлишку газоповітряної суміші; 8 – вентиль; 9 – патрубок подавання газової суміші.

За результатами досліджень встановлено, що в замкненому просторі горючого газового середовища з вмістом турбінної оливи ТП-22, її парів та повітря за температур 230–235 С відбувається різке прискорення екзотермічної реакції та збільшення швидкості втрати маси (рис. 6), що може бути пояснено досягненням мінімальної температури самозаймання, яка виявилася понад 100 С нижчою за температуру самозаймання, визначену стандартним методом.

Рис. 6. Дериватограми зразків турбінної оливи ТП-22:

а) за умов вентилювання внутрішнього середовища повітрям;

б) за умов вентилювання середовища сумішшю СО2 (65% об.) та повітря (35% об.).

Аналіз отриманих даних (рис. 6) свідчить, що у температурному діапазоні від 20 С до 500 С за умов вентилювання замкненого простору досліджуваної системи газовою сумішшю з вмістом СО2 65 % об. екзотермічні ефекти подавлено, тобто забезпечується флегматизування її газового середовища.

Для підтвердження чи спростування висунутого теоретичного припущення про можливе зниження температури самозаймання турбінної оливи ТП-22 під час її експлуатації у змащувальних та охолоджувальних системах ГПА, були проведені відповідні експериментальні дослідження зі зразком турбінної оливи ТП-22, відібраним на одній з КС після її використання за призначенням.

Методом дистиляційної перегонки з цього зразка було виділено три фракції: 145-230 С, 240-280 С та 300-350 С. Із застосуванням мас-спектрометра LKB-2091 (Швеція) при використанні системи введення зразків для фракцій 145-230 С та 240-280 С через нагрітий до 250 С балон напуску, а для фракції 300-350 С із застосуванням системи прямого введення зразка на аналіз в іонне джерело отримані результати мас-спектрального аналізу фракцій оливи, що наведені у таблиці 3.

Таблиця 3

Молекулярно-масовий розподіл алкілбензолів у фракціях дистиляційної перегонки турбінної оливи ТП-22, що була в експлуатації на КС

Молекулярна маса, а.о.м. | Кількість атомів С у молекулі | Вміст, % відн.

Фракція 145-230 ?С | Фракція 240-280 ?С | Фракція 300-350 ?С

78 | 6 | 3,8

92 | 7 | 11,4

106 | 8 | 19,0

120 | 9 | 30,6 | 16,8

134 | 10 | 25,9 | 22,2

148 | 11 | 9,3 | 15,6

162 | 12 | 15,5

176 | 13 | 10,5

190 | 14 | 10,1 | 6,6

204 | 15 | 9,3 | 10,6

218 | 16 | 13,2

232 | 17 | 9,8

246 | 18 | 9,7

260 | 19 | 8,5

274 | 20 | 5,3

288 | 21 | 4,6

302 | 22 | 2,6

316 | 23 | 5,3

330 | 24 | 7,9

344 | 25 | 6,6

358 | 26 | 5,3

372 | 27 | 2,5

386 | 28 | 1,5

Стандартним методом було визначено температури самозаймання оливи ТП-22 та виділених з неї фракцій. Отримані результати наведено у таблиці 4.

Таблиця 4

Температура самозаймання турбінної оливи ТП-22 та фракцій, виділених з неї методом дистиляційної перегонки

Речовина | Стандартна температура самозаймання, С

олива ТП-22 до експлуатації | 372 ± 2

олива ТП-22 після експлуатації | 308 ± 2

фракція 145-230 ?С | 365 ± 2

фракція 240-280 ?С | 265 ± 2

фракція 300-350 ?С | 260 ± 2

Аналіз отриманих даних представлених в таблицях 3, 4,