CC BY
57
УДК 656.614.84
ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ПОЖАРА НА ЦИСТЕРНУ АВТОМОБИЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Х. И. Исхаков, Р. Ш. Хабибулин
Академии Государственной противопожарной службы МЧС России
Изложено состояние проблемы пожарной безопасности автоцистерн с нефтепродуктами при воздействии тепловых потоков пожара. Исследованы процессы тепломассообмена в цистерне автомобиля для транспортирования нефтепродуктов. Рассмотрены различные ситуации потери теплоустойчивости цистерны при воздействии тепловых потоков пожара. Представлены предельно допустимые (критические) значения температур и плотностей тепловых потоков системы "цистерна — технологическое оборудование — нефтепродукт — пожар". Результаты исследований могут быть использованы при оценке пожаровз-рывоопасных ситуаций при транспортировании нефтепродуктов автоцистернами, анализе конструктивных решений по защите цистерны на стадии проектирования, экспертизе пожаров и взрывов.
Анализ аварийности при перевозках нефтепродуктов автомобильным транспортом в различных регионах России показывает существенное увеличение количества аварий, приводящих к ранениям и гибели людей, разрушениям зданий и транспортных средств. В результате анализа аварий с автоцистернами (АЦ) для перевозки нефтепродуктов выяснилось, что около половины всех аварий (46 %) происходит в результате дорожно-транспортных происшествий (ДТП), 9 % аварий — на сли-во-наливных эстакадах (СНЭ), порядка 3 % — на автозаправочных станциях (АЗС), при этом в большинстве случаев происходит пожар АЦ (63 %) [1]. Абсолютное большинство пожаров на пунктах налива АЦ (80,6 %) и АЗС (62 %) возникают в результате утечек нефтепродуктов из-за переливов цистерн и неплотностей соединений при проведении технологических операций слива (налива) нефтепродуктов [2, 3]. Результатом воздействия тепловых потоков пожара может быть разгерметизация цистерны или взрыв с образованием "огненного шара". В случае разгерметизации конструкции цистерны происходит увеличение площади пожара пролива и перемещение потока горящей жидкости на автомобильные дороги, другие автотранспортные средства, здания и сооружения [4].
Транспортирование нефтепродуктов автомобильным транспортом сопряжено с повышенным риском в связи с опасностью возникновения ДТП, при этом около половины случаев ДТП с автоцистернами вызвано превышением скоростного режима [5]. Пожары в результате ДТП представляют наибольшую опасность для людей и окружающей среды, особенно при перевозке ЛВЖ и ГЖ [7, 9,10,
11]. Повреждение узлов и систем автомобиля при ДТП способствует развитию пожара, а заклинивание дверей и травмирование людей препятствует возможности тушения пожара ручными средствами и быстрой эвакуации пострадавших [6]. Переворачивание АЦ представляет значительный риск возникновения пожаровзрывоопасной ситуации в случае разгерметизации цистерны и утечки нефтепродукта. Переворачивания происходят в результате превышения скорости, дорожных повреждений, неисправности автомобиля.
Одним из примеров пожара в результате ДТП является авария на автостраде в штате Аризона 8.12.2000 г., когда опрокинулась и загорелась АЦ емкостью 35000 л с пятью отсеками, в четырех из которых находился бензин, в среднем отсеке — дизельное топливо. Температура топлива в отсеках составляла порядка 97 °С при нижней предельно допустимой температуре, определяемой температурой начала кипения, — 30 °С. В результате воздействия тепловых потоков пожара 4 отсека взорвались. Площадь пожара составляла около 100 м2,вы-сота пламени — 10 м [6].
Авария в городе Насик (Индия) в мае 1987 г. произошла в результате утечки топлива (0,2 м3) из припаркованного на автобусной остановке трейлера, которое загорелось с последующим взрывом цистерны; при этом 9 человек погибли, 27 человек получили серьезные ранения [7].
По характеру очага и масштабу горения пожары АЦ можно разделить на:
• факельное горение парогазовой фазы из дыхательного клапана и жидкости, вытекающей из цистерны;
Последствия пожара на автоцистерне, предназначенной для перевозки нефтепродуктов
• горение разлившейся жидкости из цистерны;
• пожары, сопровождающиеся взрывами паро-газовоздушных смесей, происходящих внутри цистерн;
• сложные пожары, представляющие горение струйного истечения и разлитых нефтепродуктов. На основе анализа аварийных ситуаций при
транспортировании нефтепродуктов АЦ определены участки конструкции цистерны, на которые наиболее часто происходит воздействие тепловых потоков пожара: боковая поверхность конструкции; торцевая часть конструкции со стороны кабины; открытая поверхность конструкции.
Оценка теплоустойчивости АЦ от воздействия пожара является одним из приоритетных вопросов в обеспечении противопожарной защиты и основана на решении двух задач: внешней, связанной с изучением закономерностей распределения тепловых нагрузок при открытых пожарах нефтепродуктов, и внутренней, связанной с изучением вопросов тепло- и массообмена, происходящих в цистерне, обогреваемой теплом от пожара.
Теплоустойчивость цистерны с нефтепродуктом при воздействии очага пожара можно характеризовать следующими параметрами:
• температуры нагрева смоченной и несмоченной стенок цистерны;
• термические напряжения, возникающие в оболочке цистерны;
• концентрация паровоздушной смеси внутри цистерны.
Потеря теплоустойчивости цистерны включает в себя следующие возможные ситуации:
1. Взрыв паровоздушной смеси в цистерне, возникающий при одновременном выполнении следующих условий:
Снпв - С — Свпв, (1)
где Снпв и Свпв — соответственно нижний и верхний концентрационный пределы воспламенения; С — текущая концентрация;
Тс > Тсв, (2)
где Тс — температура прогретой стенки; Тсе — температура самовоспламенения нефтепродукта.
Моменты наступления этих условий могут не совпадать. Так, горючая паровоздушная смесь в цистерне может быть еще до воздействия тепловых потоков пожара. Воспламенение ее не произойдет, пока несмоченная стенка цистерны не нагреется до опасной температуры. Но и в цистерне с горючей смесью взрыв может не произойти, если к моменту опасного нагрева конструкции смесь будет за верхней границей области воспламенения. Возникновение горючей паровоздушной смеси происходит при незначительном количестве нефтепродукта в цистерне и условии доступа воздуха через открытый люк цистерны или отверстие, образовавшееся в результате повреждения конструкции цистерны.
2. Факельное горение паров над дыхательным клапаном цистерны происходит при одновременном выполнении следующих условий:
С > Свпв ; (3)
Тс > Тсе. (4)
3. Разгерметизация цистерны в результате потери прочности из-за возникновения термических напряжений в оболочке цистерны происходит при условии:
а т > а п , (5)
где а т —термическое напряжение; а п —предел прочности конструкции.
Перепад термических напряжений, вызывающий разгерметизацию конструкции, происходит на границе раздела жидкой и парогазовой фаз. Анализ пожаров АЦ показывает, что данная ситуация возникает при заполнении цистерны на 40 - 60 %.
При прогнозировании параметров оболочковых конструкций применяется принцип равнотепло-устойчивости, включающий в себя критерий равно-прочности [12]. Задачи оценки теплоустойчивости емкостей с различными рабочими жидкостями встречаются при оценке теплоустойчивости емкостей пожарных автомобилей (цистерны с водой или пенообразователем, емкости с гидравлической жидкостью автолестницы или подъемника, топливные баки), емкостей с топливом стационарных силовых установок [13]. Понятие теплоустойчивости подразумевает способность конструкции обеспечивать заданные значения эксплутационных показателей (теплостойкость оболочки и тепловой режим жидкой и парогазовой сред) в условиях пожара в течение заданного времени. Теплоустойчивость АЦ для перевозки нефтепродуктов должна обеспечивать выполнение своего основного назначения — безопасное и эффективное транспортирование и хранение нефтепродуктов при заданном уровне теплового нагружения.
Критерий теплоустойчивости г-го элемента конструкции:
^-шуг Ер /Сг '
(6)
где Ер —результирующая тепловая нагрузка на г-ый элемент конструкции от внутренних и внешних источников теплоты; С1 —теплоемкость элемента; Уш1 — скорость изменения температуры элемента.
Элемент теплоустойчив, если Кшуг < 1. Данное условие выполняется при ¥ш1 < ¥пд1, где ¥пдг — предельно допустимая скорость изменения температуры для данного элемента. Конструкция считается равнотеплоустойчивой, когда критерии теплоустойчивости всех ее элементов Кшуг < 1. Принцип равнотеплоустойчивости позволяет на стадии расчетов определять наиболее слабые места конструкции системы и, ориентируясь на них, проводить расчеты и эксперименты, тем самым повышая уровень безопасности.
Тепло- и огнестойкость элементов конструкции емкостей можно обеспечить при выполнении условия:
К61 = х э/ Х пд (кр ) , (7)
где Кб1 —критерий безопасности элемента конструкции по условию теплоустойчивости г-го элемента; х э —время экспозиции тепловой нагрузки; х пд(кр) — время наступления предельно допустимой (критической) температуры конструкции.
Предельно допустимые (критические) значения температур и плотностей тепловых потоков системы "цистерна — технологическое оборудование — нефтепродукт — пожар" определены в работе [14] (табл. 1).
В результате проведенного анализа поставлена задача по разработке имитационной модели по оценке теплоустойчивости цистерны автомобиля для транспортирования нефтепродуктов с учетом работы предохранительного клапана при различных ситуациях воздействия тепловых потоков пожара.
Постановка задачи
1. Газовая и жидкая фазы в емкости рассматриваются на уровне усредненных термодинамических параметров каждая (т.е. градиенты по координатам пренебрегаются);
2. Поперечные градиенты температуры в стенки емкости не учитываются, наружная и внутренняя площади емкости считаются равными.
3. Стенка емкости разбита на 4 зоны: обогреваемая, соприкасающиеся с жидкостью; обогреваемая, соприкасающаяся с газом; необогреваемая, соприкасающаяся с жидкостью; необогреваемая, соприкасающаяся с газом.
Последствия пожара на автоцистерне, предназначенной для перевозки нефтепродуктов
4. В начальный момент времени среда в емкости находится в состоянии устойчивого термодинамического равновесия.
5. Тепловой поток равномерно распределен по всей поверхности емкости и постоянен во времени.
6. Толщина переходного слоя "жидкость — газ" пренебрежимо мала, а его температура Т является среднеарифметической между температурами жидкости Т1 и газа .
7. Бинарная среда, пары горючей жидкости и воздух — идеальные газы.
8. Изменение фракционного состава горючей жидкости при испарении пренебрегается.
9. Зависимость теплофизических свойств материала стенок емкости от температуры отсутствует.
ТАБЛИЦА 1. Предельно допустимые (критические) параметры элементов системы "цистерна — технологическое оборудование — нефтепродукт — пожар"
Температуры, °С
Элемент Материал/в системы ещество предельн°-допустимые
Плотности тепловых потоков, кВт/м2
критические
предельно-допустимые
критические
Нефтепро- Бензин 30 250 -350 4 12
дукт Керосин 50 250 4 12
Дизельное топливо 70 330 4 12
Цисте- Сталь 200 500 8 12
рна Алюминий 200 250 -300 4 8
Пластик 100 180250 3-4 8
Технологиче- Резина 120 -150 250 -540 до 8 14
ское обору-дова-ние Стекло 190 220 8 14
Пластмасса 100 -150 150250 3-4 8
п=п
РИС. 1. Схема к обоснованию математической модели тепломассообмена в цистерне: Т*, Т^, Т, Тт1 — температуры
стенок с облучаемой несмоченной стороны, смоченной, газа и жидкости; Т, Т1 — среднеобъемные температуры газовой бинарной смеси и нефтепродукта, Р — давление парогазовой смеси
Уравнение баланса энергии для жидкой фазы:
р 1Щ (С1 + Т1Ь1 = (е1Т1 - Ь(Т$) -а г
- (Т Т ^ + а (Т^1 - Т) + +а (Twl - Т1) + а Т - Т1) +
+ еа
F F F ^ F
(TWg - T4 ) + wg s x
F + Fq
wg wg
F + Fq wg wg
x (Tqg - tf) + F* (Twq4 - Tz4) + + Fwl (Tw4 - T4)].
(14)
Уравнение баланса массы
Для бинарной смеси:
¿р „ р „
V (1 -а= gvFs(1 ) - ое. (8)
dt
Р i
Для паров жидкости:
PgVt (1 -3)-^ = gvFs(1 -xv). (9)
dt
Для жидкости:
т/ d3 F
P lVt — = -gvFs ■ dt
(10)
Уравнение баланса энергии для газовой фазы.
Зависимости теплоемкости газов и паров от температуры можно аппроксимировать линейными функциями:
^ = av + ^Т; ср = ар + ЬрТ, (11)
где Ьр и Ь^, — коэффициенты. Тогда
аС
Т -V + Сv = КТ + av + КТ = av + 2^Т = аТ
= Cv + bvT.
(12)
С учетом этого окончательно уравнение энергии примет вид:
РgVt (1 - а(СТО + ЬтТг ) +
+ (1 - ^ )(^а + )]- g =
dt
Уравнения баланса энергии для различных участков стенки цистерны.
а) обогреваемая стенка, контакт с газом:
dTwq
w ~dt
рt= q + qa +a ^ (tg -tw,g ) +
+ea
F,
F + F
s wg
(Ti4 - Twqg)+
F
wg
F, + F
(T4 - Tq )
wg wg
Wg
(15)
б) обогреваемая стенка, контакт с жидкостью:
уА
ё г
р 15 Ct -W- = Q + Qa + a Wi (Ti - Tq) +
+ea
Fs
F + F
s wg
T - Tq)
(16)
в) необогреваемая стенка, контакт с газом: dTWg
р t5Ct^ = Qa +a wg (Tg - Twg ) + + a wa (Ta - Twg ) +
(T4 - T4 ) + - Fs
У-1 a wg / '
F + Fq
s wg
Fq 4 x (Ti - TWg)+f fV (Twqg - Twg •
F s + F wg
(17)
г) необогреваемая стенка, контакт с жидкостью: ¿Т 1
Р'5 = ^ + а „1 (Т1 - Тк1) +
а,
= (Cp (Ts )Ts - CvgTg )gvFs +
+a q Fq (Tq - T ) + a F (T - T ) +
1 ^ wg wg wg ^ ^ ^ wg wg \ wg g '
+a gFs T - Tg ) - VgGg. (13)
+ a wa (Ta - Twi ) + [(Ta4 - Tw4 ) +
+ (T,4 - Tw4)].
(18)
Численный эксперимент проводился с использованием метода Рунге-Кутта-Фельберга. Объек-
Последствия взрыва автоцистерны, предназначенной для перевозки нефтепродуктов
том моделирования стала цистерна объемом 30 м с бензином при воздействии на ее боковую поверхность теплового потока, плотностью 25, 40 и 50 кВт/м2. Выходные данные отражают изменение во времени температур различных участков конструкции цистерны.
На рис. 2 показаны температуры стенки цистерны с коэффициентом заполнения - 0,001 в зависимости от продолжительности теплового воздействия и плотности теплового потока. Рисунок позволяет рассчитать время достижения температуры стенки, равной температуре самовоспламенения паровоздушной смеси в цистерне (250 °С).
На рис. 3 показаны температуры несмоченной и смоченной стенок цистерны с коэффициентом заполнения - 0,5. Перепад температур в области раздела жидкости и паровоздушной смеси составляет около 350 °С. При этом, как показывают опыты, имеет место изменение знака напряжений обогреваемой поверхности, которое приводит к потере герметичности цистерны.
Заключение
1. Обзор работ, посвященных анализу причин пожаров, взрывов АЦ и их последствий, показывает, что несмотря на различные меры по обеспечению пожаровзрывобезопасности АЦ, количество пожаров и взрывов возрастает. Поэтому необходимо совершенствование методов и средств оценки пожаровзрывобезопасности АЦ с использованием компьютерного моделирования пожаровзрыво-опасных ситуаций.
2. На основе анализа информации об аварийных ситуациях при транспортировании нефтепродуктов АЦ выявлено, что воздействие тепловых потоков пожара может привести к самовоспламенению и взрыву паровоздушной среды внутри цистерны либо к разгерметизации конструкции цистерны в результате потери механической прочности.
600,00 ц 500,00 V 400,00
& 300,00 р*
в 200,00 £ 100,00 0,00
±
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 Время, мин
-50 кВт/м2--40 кВт/м2 ---25 кВт/м2
РИС. 2. Температуры стенки цистерны в зависимости от продолжительности теплового воздействия и плотности
500,00 450,00 400,00 <Р 350,00
а зоо.оо
Й 250,00
¡2 200,00 I 150,00 100,00 50,00 0,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 Время, мин
-Несмоченная стенка--Смоченная стенка
РИС. 3. Температуры стенки цистерны в зависимости от продолжительности теплового воздействия при плотности теплового потока 50 кВт/м2
3. Разработана имитационная модель по оценке теплоустойчивости цистерны автомобиля для транспортирования нефтепродуктов, позволяющая оценивать пожарную безопасность АЦ при воздействии тепловых потоков пожара.
Условные обозначения
t — время, с; Р — давление, Па; Т — температура, К; V —объем, м3; р — плотность, кг/м3; С — теплоемкость, Дж/К; Ь — удельная теплота испарения, Дж/кг; Q — плотность теплового потока, Вт/м2; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • К); ц — молекулярная масса, кг; V — динамическая вязкость, кг/(м • с); X — теплопроводность, Вт/(м •К); е — степень черноты поверхности емкости; х — массовая концентрация (в массовых долях) компонента (пара или воздуха) в бинарной смеси (в газе);
—массовый расход газа через предохранительный клапан, кг/с; gv — массовая скорость испарения жидкости в емкости с единицы площади, кг/(м2 • с); Я — приведенная газовая постоянная, Дж/(кг • К); а — постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2 • К4); g — ускорение свободного падения; р — коэффициент объемного расширения, площадь, м ; 5 —толщина стенок емкости, мм; & — степень заполнения объема емкости жидкостью.
Индексы
а — параметры наружной атмосферы (воздуха); g — параметры бинарной смеси (газа); 1 — параметры горючей жидкости; д — параметры на облучаемой стенке цистерны;
г — параметры всей цистерны в целом (площадь, объем);
v — параметры паров нефтепродуктов; * — параметры на границе раздела жидкой и паровоздушной фаз;
„ — параметры стенки цистерны.
ЛИТЕРАТУРА
1. ИсхаковХ. И., Логачев Е. Н., Хабибулин Р. Ш. Пожарная безопасность автоцистерн для перевозки нефтепродуктов // Пожары и окружающая среда: Материалы XXVII Международной науч.-практ. конф. — ВНИИПО. М.: 2002. — 474 с.
2. Сучков В. П. Анализ пожаров на эстакадах налива нефтепродуктов в автомобильные цистерны //Транспорт и хранение нефтепродуктов: НТИС. — М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1995. № 9. С. 11 - 13.
3. Отчет о НИР "Разработка мероприятий по обеспечению пожарной безопасности жилых зда-нийстопливнымиемкостями". —М.:МИПБ.1999,— 69 с.
4. Логачев Е. Н., Хабибулин Р. Ш. Растекаемость нефтепродуктов при авариях автоцистерн // Материалы 11-й научно-технической конференции "Системы безопасности" СБ-2002, 2002.— 279 с.
5. ИсхаковX. И., Логачев Е. Н., Хабибулин Р. Ш. Профилактика инцидентов автоцистерн с нефтепродуктами // Деятельность правоохранительных органов и государственной противопожарной службы: проблемы и перспективы развития: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции. — Иркутск: Восточно-сибирский институт МВД России, 2002. — 331 с.
6. Исхаков X. И., Пахомов А. В., Каминский Я. Н. Пожарная безопасность автомобиля. — М.: Транспорт, 1987. — 86 с.
7. 35000 L Tanker explosion-Wayong. V. 56. 2001
8. Kumar A. Sushil. Hazards on wheels pose problems in India // Fire International. 1987. №106. Р. 42 - 43, 47, 49.
9. John B. Sachen. Flammable liquid releases from MC-306 tankers: an overview. Fire Engineering, 1992. №2. P. 51 - 57.
10. National Transportation Safety Board. 1998. Collision of tractor/cargo tank semitrailer and passenger vehicle and subsequent fire, Yonkers, New York, October 9, 1997. Highway/Hazardous Materi-alsAccident Summary Report NTSB/HAR-98/02/SUM (PB98-916202). Washington, DC.
11. National Transportation Safety Board. 1999. Fire and Explosion of Highway Cargo Tanks, Stock Island, Key West, Florida June 29, 1998. Hazardous Materials Accident Report NTSB/HZM-99/01. Washington, DC.
12. Исхаков X. И. Защита автотранспортных средств от воздействия тепловых потоков пожара. Дис. докт. техн. наук. — М., 1991.— 338 с.
13. ИсхаковX. И., Логачев Е. Н., Xабибулин Р. Ш. Теплоустойчивость емкости сжидкостью // Пожары и окружающая среда: Материалы XXVII Международной науч.-практ. конф. — М.: ВНИИПО. 2002.— 474 с.
14. Xабибулин Р. Ш. Исследование теплоустойчивости автомобильной цистерны для транспортирования нефтепродуктов // Материалы 11-ой научно-технической конференции "Системы безопасности" СБ-2002, 2002. — 279 с.
Поступила в редакцию 01.12.02.
