Пожары резервуаров

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ АКАДЕМИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ Кафедра «Процессы горения» в составе УНК ПГиЭБ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ Дистанционное обучение С.А. Бобков, П.В. Комраков Тема 3. Лекция 2 Пожары резервуаров Содержание 1. Возникновение и развитие пожара на резервуаре 2. Параметры пожара резервуара 3. Распределение температуры в жидкости по высоте резервуара 4. Вскипание и выброс жидкости при горении в резервуаре Москва 2014 1 3.1 Возникновение и развитие пожара на резервуаре Проблема обеспечения пожарной безопасности резервуаров с горючими жидкостями в России возникла с момента пуска в эксплуатацию первого вертикального металлического резервуара для хранения нефти в 1878 году. Резервуары для горючих жидкостей, особенно нефти и нефтепродуктов, относятся к промышленным сооружениям повышенной пожарной опасности. Как правило, пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами являются сложными, ликвидируются с большим трудом и наносят не только материальный, но и большой экологический ущерб. В настоящее время многие процессы и явления, связанные с возникновением и развитие пожаров на резервуарах могут быть объяснены и спрогнозированы на основании имеющихся научных представлений. Как известно, пожар возникает, когда во времени и пространстве совпадают три фактора: горючее вещество, окислитель и источник зажигания, т.е. появляется "треугольник горения". Вероятность и место возникновения такой ситуации определяется конструкцией резервуара, свойствами находящейся в нем жидкости, характером выполняемой технологической операции, климатическими условиями. В настоящее время для хранения горючих и легковоспламеняющихся жидкостей применяются в основном резервуары следующих типов: с стационарной крышей и свободной поверхностью жидкости, с стационарной крышей и понтоном, с плавающей крышей (рис. 3.1). парогазовоздушная смесь воздух а б в Рис.3.1. Резервуары: а. - с стационарной крышей; б.- с понтоном, в.- с плавающей крышей. При эксплуатации резервуара, имеющего стационарную крышу, горючая газовая среда может образовываться как внутри его, так и снаружи. При свободной поверхности жидкость интенсивно испаряется. Концентрация паров внутри таких резервуаров быстро достигает равновесных значений, которые определяются температурой жидкости. Технологическая 2 температура жидкости, как правило, значительно выше верхнего температурного предела распространения пламени. Соответственно концентрация пара в парогазовом пространстве таких резервуаров обычно превышает верхний концентрационный предел, т.е. газовая среда внутри резервуара является негорючей. Во время откачивания жидкости внутрь резервуара поступает воздух, смесь разбавляется и попадает в область воспламенения. В такой ситуации пожар, как правило, начинается со взрыва паровоздушной смеси, частичного или полного отрыва крыши и воспламенения жидкости на всей свободной поверхности. Если смесь находится вблизи нижнего или верхнего концентрационного пределов, то давление взрыва, как правило, оказывается достаточным лишь для частичного отрыва крыши в местах ее крепления к верхнему поясу резервуара. В этих случаях в начале воспламеняются пары, выходящие в местах отрыва крыши. Затем происходит деформация и обрушение крыши внутрь резервуара, горение распространяется на всю свободную поверхность жидкости. При наполнении резервуара, а также при "малых дыханиях", пары стравливаются в атмосферу через дыхательные клапаны, разбавляется воздухом, и образуют горючую смесь. Т.е. в окрестности резервуара формируется взрывоопасная зона. По мере удаления от места истечения (выброса) паров их концентрация уменьшается. На внешней границе зоны она равна нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Наибольшую протяженность взрывоопасная зона имеет при наполнении резервуара. В этом случае ее размеры при прочих равных условиях определяются производительностью операции и текущим содержанием горючих паров в парогазовом пространстве резервуара. Расчет по стандартной методике показывает, что в сухую безветренную погоду, внешняя граница взрывоопасной загазованной зоны в сухую безветренную погоду может выходить за пределы резервуарного парка. Чем больше протяженность взрывоопасной зоны, тем выше вероятность воздействия случайного источника зажигания (разряда атмосферного электричества, капли расплавленного металла, электрических или фрикционных искр и т.д.) и, соответственно, взрыва, пожара. После взрыва (вспышки) наружной паровоздушной смеси, если не произошло разрушения резервуара, пожар локализуется в виде факельного горения у места истечения паров. Чаще всего, факельное горение происходит на дыхательном клапане. Под действием тепловых потоков от факела пламени крыша резервуара деформируется и разрушается, горение (со взрывом или без) переходит на свободную поверхность жидкости. Наличие в резервуаре понтона на поверхности жидкости препятствует ее испарению. Однако возможность образования горючей смеси внутри резервуара при этом все равно сохраняется. Во время откачивания жидкости происходит ее испарение со стенок резервуара, и в надпонтонном пространстве постепенно накапливаются ее пары. Концентрация паров возрастает медленно т. к. при каждом откачивании в резервуар поступает воздух. Поэтому парогазовое пространство в резервуаре с понтоном длительное время находится 3 во взрывоопасном состоянии. При появлении источника зажигания воспламеняется, чаще всего, обедненная горючая смесь - близкая к нижнему концентрационному пределу распространения пламени. Вероятность факельного горения на дыхательном клапане или других устройствах (например, пенокамерах) при наличии понтона в целом ниже, чем при свободной поверхности жидкости и возрастает со временем эксплуатации резервуара по мере накопления паров в надпонтонном пространстве. Если факельное горение возникает, то пожар развивается по тому же сценарию, что и на резервуаре без понтона. При этом в случае неполного разрушения и затопления понтона возникают дополнительные сложности в ходе тушения пожара. В резервуаре с плавающей крышей горючая смесь образуется у мест выхода в атмосферу паров и газов через неплотности герметизирующего затвора. При появлении источника зажигания возникает локальный факел пламени, под действием которого постепенно разрушается гидрозатвор, крыша теряет плавучесть и тонет, пламенное горение распространяется на поверхность горючей жидкости. Кроме того, в результате нарушения технологического режима откачивания может произойти отрыв поверхности жидкости от плавающей крыши и образование паровоздушной смеси внутри резервуара со всеми вытекающими последствиями. Развитие пожара при хранении больших масс нефти и нефтепродуктов можно подразделить на следующие уровни: первый уровень – возникновение и развитие пожара в пределах одного резервуара без влияния на смежные; второй уровень – выход пожара за пределы одного резервуара с возможным продолжением его в пределах резервуарной группы; третий уровень – развитие пожара с возможным разрушением смежных резервуаров, зданий и сооружений, построек на территории предприятия за его пределами, а также поражение опасными факторами пожара персонала предприятия и населения ближайших районов. Развитие пожара по стадиям на этих уровнях можно проследить по «типовой схеме анализа вероятных сценариев развития пожара при хранении больших масс нефти и нефтепродуктов»: Сценарий №1: Снаружи резервуара при малых и больших «дыханиях» образуется взрывоопасная концентрация. С появлением источника зажигания возникает пожар на дыхательных клапанах. При этом в зависимости от величины концентрации паровоздушной среды внутри резервуара возможны следующие ситуации: а) устойчивое факельное горение; б) взрыв паровоздушной среды в резервуаре; Переход от устойчивого факельного горения к горению на поверхности жидкости характерен для резервуара со сферической крышей. Взрыв резер4 вуара, как правило, приводит к подрыву, реже срыву крыши с последующим пожаром резервуара. Не исключена опасность, что взрыв паровоздушной смеси в резервуаре или затяжной пожар в нем может привести к его разрушению с последующим образованием гидродинамической волны, способной разрушить соседние резервуары, при этом площадь розлива нефтепродукта резко возрастает. Длительное горение определенных продуктов в резервуаре может привести к вскипанию и выбросу с последующим разливом продукта и горением в жидкой фазы на большой площади. Подобные явления в свою очередь вовлекают в пожар смежные резервуары и другие объекты. Пожар становится неуправляемым и может перейти в городскую застройку. Все выше изложенное можно изобразить в виде схемы 1[1]: Образование взрывоопасных концентраций снаружи резервуара. Пожар на дыхательных клапанах Взрыв в резервуаре Схема развития пожара №1 Диффузионное горение в резервуаре Разрушение соседних резервуаров Разрушение резервуара Образование горящей гидродинамической волны Вскипание и выброс нефтепродукта Розлив горящего продукта Пожар розлива Выход пожара в черту городской застройки Как видно, факельное горение на дыхательном клапане может привести к катастрофическому пожару. Развитие пожара, которое начинается с образования взрывоопасных концентраций в резервуаре, как правило, приводит к наиболее часто встречающемся на практике варианту «пожар резервуара» или к разрушению резервуара при взрыве. Характер дальнейшего развития пожара (схема №2) может быть аналогичен схеме №1 начиная с разрушения резервуара или вскипания и выброс нефтепродукта. 5 Образование взрывоопасных концентраций внутри резервуара. Взрыв в резервуаре Разрушение резервуара Схема развития пожара №2 Диффузионное горение в резервуаре Разрушение соседних резервуаров Розлив горящего продукта Образование горящей гидродинамической волны Вскипание и выброс нефтепродукта Розлив горящего продукта Пожар розлива Выход пожара в черту городской застройки В результате нарушения технологического режима или неисправности контрольно-измерительных приборов возможен неконтролируемый выход продукта из резервуара. Происходит розлив продукта. В зависимости от количества и свойств разлившегося нефтепродукта, структуры почвы можно ожидать следующие варианты развития пожара: а) загазованность территории и взрыв парогазовой фазы; б) пожар на месте розлива продукта; пожары в черте городской застройки вследствие попадания нефтепродукта в систему городской канализации. При взрыве парогазовой фазы пожар может перескочить на второй уровень. При этом можно ожидать пожары на соседних зданиях и сооружениях, взрывы в соседних резервуарах. Пожар жидкой фазы при розливе приводит к быстрому нагреву оборудования и конструкции резервуара. И дальнейшее развитие пожара возможно будет происходить по схеме№1. Приведенные сценарии используются при составлении планов тушения, расчетов рисков и планировании боевых действий гарнизонов пожарной охраны. Параметры пожара резервуара Горение жидкости удобно рассмотреть в промышленном резервуаре (т.е. диаметром не менее 3-5м) для случая, когда части конструкции резервуара, ограничивающие приток воздуха в зону горения (крыша, понтон) отсутствуют. Наиболее полно горение жидкостей в резервуарах исследовано в фундаментальной работе В.И. Блинова и В.Н. Худякова "Диффузионное горение жидкостей", опубликованной в 1961г [2]. 6 Основными параметрами пожара резервуара являются скорость выгорания жидкости, интенсивность излучения, высота и температура пламени. Все они взаимосвязаны. Так, скорость выгорания определяет высоту и форму пламени, интенсивность излучения из зоны горения в окружающую среду. Чем больше потери тепла излучением, тем ниже температура и, соответственно теплосодержание пламени. В свою очередь от интенсивности излучения и размеров пламени зависит величина теплового потока, падающего на поверхность жидкости, соответственно и скорость ее испарения/выгорания. От интенсивности излучения из зоны горения и размеров пламени зависит протяженность зоны теплового воздействия факела на окружающие объекты. Конвективные потоки при открытых пожарах оказывают крайне слабое воздействие на окружающие объекты. Их влияние может проявляться на уровне верхней кромки резервуара, если под действием ветра они оказываются направленными параллельно плоскости земли. Однако, даже в этом случае, их действие не является устойчивым. Для жидкостей наряду с массовой скоростью выгорания часто используют и линейную uл – расстояние, на которое опускается уровень жидкости в единицу времени. Обе скорости взаимосвязаны через плотность жидкости ρ: vмуд = uлρ, кг/(с·м2). Так же как и в газовом фонтане, на резервуаре образуется и горит поток газо(паро)воздушной смеси. Горение в обоих случаях является диффузионным и турбулентным. Однако, над резервуаром, в отличие от газового фонтана, факел пламени формируется восходящими конвективными потоками продуктов сгорания. Скорость его "истечения" несоизмеримо меньше, чем у газового факела и зависит от свойств горючего, а также ряда внешних факторов. В свободно восходящей конвективной струе продуктов сгорания критическое значение числа Рейнольдса составляет 150, что примерно в 10 раз меньше обычно принятого. Чем больше масса вещества, испаряющегося и сгорающего в единицу времени, тем выше скорость восходящего потока, тем сильнее он турбулизован. Вместе с тем, турбулизация потока пара создает лучшие условия для образования и сгорания горючей смеси. Режим горения зависит от диаметра резервуара. В горелках диаметром менее 0,03м пламена жидкостей ламинарные, с увеличением диаметра скорость выгорания уменьшается, как это видно на примере бензина (рис. 3.2) [2]. В диапазоне от 0,03 до 1м наблюдается переходный режим от ламинарного к турбулентному. При горении в резервуарах диаметром более 1м пламена полностью турбулентные и скорость выгорания жидкости практически не зависит от диаметра. 7 Скорость выгорания, мм/мин 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0,01 0,1 1 10 100 Диаметр резервуара, м Рис. 3.2. Влияние диаметра резервуара на скорость выгорания бензина. В свою очередь скорость выгорания определяется соотношением летучести жидкости и относительной излучательной способности. Светимость пламени обусловлена присутствием частиц углерода в продуктах горения. Излучение сажи увеличивает теплоотдачу пламени в окружающую среду. Соответственно, и большая часть энергии тратится на испарение жидкости. Например, при горении в резервуаре диаметром 0,3м, первая фракция нефти (самая легкая) - бензиновая имеет относительную излучательную способность 0,590,72, керосин - 0,37, моторный бензин - 0,36. Пламя метанола практически невидимо. Относительная излучательная способность метанола – 0,07. При этом тепловой поток, падающий на поверхность зеркала жидкости от пламени (qпад) у бензина и керосина больше, чем требуется для поддержания стационарного горения (qтреб), а у метанола – значительно меньше [5]: qтреб, кВт qпад, кВт Бензиновая фракция………….1,23 2,51 Керосин………………………..1,05 1,08 Бензин………………………….2,23 2,51 Метанол……………………….1,22 0,21 В результате этого процесс горения нефти и большинства нефтепродуктов в резервуарах не является устойчивым (рис.3.3). 8 Рис. 3.3. Изменение высоты пламени при горении нефтепродуктов. За счет разности этих тепловых потоков над зеркалом жидкости накапливаются пары несгоревшего горючего, соответственно пламя вытягивается. Постепенно в зоне горения формируется облако, которое всплывает вверх, перемешивается с воздухом и сгорает за пределами основного факела пламени. После этого высота пламени уменьшается, и процесс повторяется (см. рис. 3.3). Пламя спиртов является мерцающим. В этом случае недостаток лучистой энергии компенсируется конвективными тепловыми потоками, которые периодически достигают поверхности жидкости, вызывая ее испарение и сгорание (рис.3.4). Рис. 3.4. Изменение формы пламени при горении спирта Теплота, выделяющаяся в окружающую среду, в виде лучистой энергии, поглощается более холодными зонами пламени и близлежащими слоями окружающей среды. Чем дальше от зоны горения, тем меньше плотность падающего теплового потока. Так же как и при горении газового фонтана, протяженность зоны теплового воздействия пожара резервуара зависит от коэффициента излучения f = qлуч/qп. При этом коэффициент излучения зависит не только от вида горючего, но и от диаметра резервуара. На рис. 3.5 приведены значения коэффициента излучения из зоны горения в окружающую среду для некоторых нефтепродуктов [4]. 9 Коэффициент излучения - бензин - керосин - сырая нефть - гептан - гексан - толуол - бензол - метанол Диаметр резервуара, м Рис. 3.5. Зависимость коэффициента излучения от диаметра резервуара. Интенсивность излучения qлуч во всех случаях измерялась на уровне борта резервуара на расстоянии L, равном 5D. Как видно из этих данных доля излучения составляет 30 - 50% от теплоты пожара при горении углеводородов в резервуарах диаметром до 2м. С увеличением диаметра резервуара коэффициент излучения снижается до 0,07 (диаметр 30м) и 0,04 (диаметр 50м) при горении керосина. Доля излучения при горении метанола в резервуаре диаметром 1,25м составляет около 0,17, что намного меньше, чем при горении углеводородов. Как известно, излучательная способность пламени обусловлена тепловым излучением частиц углерода размером 10-100 нм, которые образуются в зоне горения. Находясь в пламени, они ведут себя как абсолютно черное или серое тело. Увеличение притока воздуха в зону горения приводит к увеличению полноты сгорания. Соответственно, с увеличением диаметра резервуара концентрация частиц углерода в пламени, его общая излучательная способность и скорость выгорания жидкости должны уменьшаться. В действительности это происходит до определенного предела. При горении жидкости на большой площади окислителя не хватает для образования горючей паровоздушной смеси над всей поверхностью одновременно. С увеличением диаметра резервуара высота пламени (Н) уменьшается и для нефтепродуктов не превышает (1÷1,5) диаметра D. При соотношении Н/D < 1 пламя разделяется на ряд небольших очагов. Эти очаги не зависят друг от друга, не являются устойчивыми. Они случайным образом возникают и исчезают на произвольных участках поверхности зеркала жидкости. В результате пламя имеет неоднородную температуру, и дым образуется не только на периферии, но и в объеме зоны горения. Интенсивное сажеобразование увеличивает поглощение излучения. Поэтому приборы, установленные за пределами больших резервуаров, регистрируют меньший тепловой поток. 10 Степень облученности объектов вокруг горящего резервуара зависит от высоты пламени Н. Установлено, что для маленьких резервуаров высота пламени фактически не зависит от их диаметра D. При этом если высота пламени, приведенная к диаметру резервуара (Н/D) больше 6, то величина Н/D пропорциональна 0,23 qп2/5, м. В резервуарах большого диаметра Н/D < 6. При Н/D < 2 величина Н/D почти линейно зависит от (qп/D5/2). В результате обработки опубликованных данных о пожарах резервуаров и разливов жидкостей было получено выражение, приведенное в работе[3]: Н = 0,23 qп2/5 - 1,02 D, м. (3.1) Следует иметь в виду, что значение Н, получаемое по данной формуле, соответствует некой усредненной высоте т. к. пламя над резервуаром непрерывно пульсирует по причинам рассмотренным выше. Формула (3.1) учитывает массовую скорость выгорания и низшую теплоту сгорания жидкости т.к. эти параметры определяют величину qп. Если в резервуаре горит однокомпонентная (индивидуальная) жидкость, то скорость выгорания быстро достигает максимального значения, соответствующего температуре кипения и в дальнейшем не изменяется. Низшая теплота сгорания в этом случае также остается постоянной. При горении многокомпонентных жидкостей (сложного состава) состав верхнего прогретого слоя изменяется т.к. происходит разгонка смеси. Характерным примером таких жидкостей является нефть, которая состоит из фракций, кипящих в разных интервалах температур: бензиновая………………………..40 - 180ºС лигроиновая………………………120 - 200ºС керосиновая……………………….150 - 300ºС минеральные масла………………>350ºС. По мере улетучивания компонентов, имеющих низкую температуру кипения, температура кипения прогретого слоя возрастает (рис. 3.6). 11 Температура поверхностного слоя а б Ткип3 Т ≈ Ткипения Ткип2 Ткип1 Время свободного горения Рис. 3.6. Изменение температуры поверхностного слоя индивидуальной (а) и многокомпонентной жидкости (б) при горении. Ткип1, Ткип2, Ткип3 – максимальная температура кипения соответствующей фракции. Соответственно изменяются скорость выгорания и низшая теплота сгорания, что должно сказываться на высоте пламени. Распределение температуры в жидкости по высоте резервуара После воспламенения температура поверхностного слоя жидкости быстро повышается и достигает максимального значения. Следует отметить, что для однокомпонентных (индивидуальных) жидкостей это значение немного ниже температуры кипения т.к. часть тепла, поступающего к поверхности жидкости, тратится на парообразование. Чем выше теплота парообразования, тем больше это различие. Распределение температуры жидкости по глубине резервуара носит различный характер (рис.3.7). В некоторых жидкостях по мере удаления от поверхности температура плавно понижается (рис. 3.7а). В других формируется слой, практически равномерно прогретый до температуры, близкой к температуре кипения (рис. 3.7б). Этот слой называется гомотермическим. Он может образовываться как в индивидуальных, так и в поликомпонентных жидкостях (т.е. в жидкостях сложного состава). Такие распределения температуры принято называть распределением первого и второго рода соответственно. 12 В индивидуальных жидкостях, например в диэтиловом эфире, со временем растет толщина гомотермического слоя, а температура остается постоянной. В поликомпонентных жидкостях его температура повышается, как показано на рис. 3.6б. а Уровень жидкости Уровень жидкости Ткип Тж x Ткип Тж x б Уровень жидкости Тж Ткип2 Тж δгтс δгтс Ткип Уровень жидкости 1 Гомотермический слой x x Рис.3. 7. Распределение температуры в жидкости необразующей (а) и образующей гомотермический слой (б). При возникновении гомотермического слоя жидкость как бы разделяется на два слоя. В верхнем нагретом слое с увеличением расстояния от поверхности жидкости температура понижается очень медленно. Разность температур на поверхности и на нижней границе гомотермического слоя очень мала. В нижнем слое температура быстро падает по мере удаления от нижней границы гомотермического слоя (см. рис. 3.7б). Природа гомотермического слоя до конца не ясна. Достоверно известно следующее. В верхнем и нижнем слоях горящей жидкости действуют конвективные потоки. Причем в верхнем слое они значительно более интенсивные, чем в нижнем. В результате этого происходит перемешивание жидкости и выравнивание ее температуры по толщине слоя. 13 Гомотермический слой имеет предельную толщину, т.е. его нижняя граница может не достигать дна резервуара. Причем предельная толщина возрастает с увеличением диаметра резервуара. Чем ниже теплопроводность стенок, тем медленнее растет толщина гомотермического слоя. При охлаждении борта резервуара рост толщины гомотермического слоя замедляется, а в лабораторных условиях может прекратиться совсем. Гомотермический слой значительной толщины возникает в жидкостях с температурой кипения (начала кипения жидкостей сложного состава) не более 100ºС. На основании экспериментальных данных, как собственных, так и полученных другими исследователями, В.И. Блинов и В.Н.Худяков предположили, что в механизме образования и роста гомотермического слоя ведущую роль играет стенка резервуара. Вначале, по истечении нескольких минут горения, температура стенки резервуара оказывается везде выше температуры жидкости (рис. 3.8). После того, как стенка достаточно прогреется, на ней начинается кипение жидкости. Пузырьки пара поднимаются вверх и вызывают интенсивное движение в верхнем слое горящей жидкости. Эти потоки перемешивают соответствующий слой и выравнивают его температуру – происходит зарождение гомотермического слоя. 140 120 Стен 30 минут Температура, oС 100 80 60 40 Жидко 20 50 100 150 200 140 250 300 350 400 450 400 450 Z, мм Рис. 3.8. Распределение температуры в бензине и на стенке резервуара. Z – расстояние от верхней кромки борта резервуара. 120 Стен 30 минут Температура, oС 100 80 60 40 Жидко 20 50 100 150 200 250 300 350 Нагретый слой жидкости ускоряет прогрев стенки, на соответствующей ее части начинается кипение, ведущее, в свою очередь, к росту толщины гомотермического слоя. Перемещение границы гомотермического слоя приводит к нагреванию следующей части стенки резервуара и процесс повторяется. Z, мм 14 Высказывалось также предположение, что в поликомпонентных жидкостях (в частности нефти) плотность гомотермического слоя выше, чем плотность исходной жидкости из-за выгорания легких фракций [5]. В результате этого гомотермический слой как бы продавливается через жидкость, находящуюся ниже. Однако прямые измерения плотности нефти при горении в резервуаре показали, что это не так. Средняя плотность жидкости, находящейся в гомотермическом слое, ниже исходной. Вместе с тем, совершенно очевидно, что плотность жидкости, из которой удаляются (выгорают) легкие фракции, должна возрастать. Поскольку в гомотермическом слое этого не происходит, можно предположить, что разгонка протекает в тонком поверхностном слое. Жидкость, обогащенная тяжелыми фракциями, оседает вниз и на нижней границе гомотермического слоя отдает избыточное тепло исходной жидкости. Последняя нагревается и вплывает к верхней границе гомотермического слоя. Возникающий противоток обеспечивает почти равномерное распределение плотности и температуры во всем нагретом слое и постепенное увеличение его толщины. При этом, если скорость выгорания жидкости слишком велика, большое количество тепла уносится из поверхностного слоя при испарении. В результате теплосодержания отяжелевшей жидкости может быть недостаточно для прогрева нижних слоев. Тогда гомотермический слой в поликомпонентной жидкости может не образовываться, что и наблюдается в ряде случаев при горении бензина в резервуарах большого диаметра, когда влияние стенки ослаблено. Описанный механизм применим только к жидкостям сложного состава, и не объясняет образование гомотермического слоя, например, в диэтиловом эфире, ацетоне. Таким образом, в настоящее время не существует единого общепризнанного механизма формирования гомотермического слоя при горении жидкостей в резервуарах. Одни исследователи отдают предпочтение процессам кипения жидкости у нагретой стенки, другие – конвекции, возникающей за счет разности плотностей в верхнем слое. Очевидно, в реальности имеют место оба этих процесса. Вклад каждого из них в зарождение и рост гомотермического слоя, по-видимому, определяется природой жидкости и размерами резервуара. 3.4. Вскипание и выброс жидкости при горении в резервуаре Пожары резервуаров часто сопровождаются вскипанием и (или) выбросом горящей жидкости. Чаще это происходит при горении нефти и нефтепродуктов. Примерно 60% пожаров резервуаров с нефтью сопровождается вскипанием, а каждый четвертый – выбросом. Вскипание проявляется как бурное вспенивание жидкости. Горящая пена переливается через борт резервуара, попадает в обвалование, выводит из строя технологическое и пожарное оборудование, приводит к срыву пенной атаки. Наиболее опасным является выброс. При этом большие массы горящего продукта взлетают на высоту иногда равную 3-5 диаметрам резервуара, падая на землю, покрывают большие площади и продолжают гореть. Выбросы 15 наносят большой материальный ущерб и часто сопровождаются человеческими жертвами. Уже первые исследования этих явлений показали их связь с образованием гомотермического слоя. Было установлено, что вскипание нефти и высококипящих нефтепродуктов представляет собой вспенивание жидкости, которое происходит в результате вскипания капель воды диспергированных в массе вещества. Схема этого процесса показана на рис. 3.9. Рис. 3.9. Схема процесса вскипания жидкости при пожаре резервуара. Если вода и горючая жидкость невзаиморастворимы, то капли воды могут находиться во взвешенном состоянии продолжительное время только при достаточно высокой вязкости жидкости. К таким жидкостям относятся, например, нефть, минеральные масла, мазут и т.д. Гомотермический слой, образующийся при возникновении горения (см. рис.3.9а), в силу более высокой температуры имеет меньшую вязкость, чем остальная масса жидкости. Присутствие воды увеличивает скорость опускания его нижней границы и, в то же время, замедляет рост температуры. В результате этого капли воды, опускаясь вниз, концентрируются вблизи нижней границы гомотермического слоя (см. рис. 3.9б). Когда температура гомотермического слоя достигает температуры кипения воды, капли превращаются в пар и вспенивают жидкость (см. рис. 3.9в). Вскипание может быть многократным. Его интенсивность зависит от длительности горения резервуара и степени обводненности нефтепродукта. При содержании влаги менее 0,3% вскипание нефти обычно не происходит, а при 20% и более вспенившаяся масса не горит. При влажности нефти 0,6% первое вскипание наступает примерно через 50 – 50 мин, а при 0,9% - через 40 – 50 мин. Вскипание также происходит при подаче пены на поверхность жидкости, нагретой до температуры выше 100ºС. Это относится как к "сухим", так и обводненным жидкостям. 16 Причиной выбросов при пожарах резервуаров с нефтепродуктами является вскипание воды, находящейся на дне резервуара или раствора пенообразователя, скопившегося там в результате разрушения пены, подаваемой на тушение (рис. 3.10). Рис. 3.10. Схема процесса выброса при горении нефтепродуктов в резервуарах. Вскипание воды, находящейся на дне резервуара, носит взрывной характер т.к. под слоем жидкости вода способна перегреваться до температур значительно выше 100ºС. Чем выше температура перегретой воды, тем большее количество тепла аккумулируется в ее массе и затем расходуется на образование пара: z0 Q   cв ρ(Т  Т кип ) Sdz , (3.2) где: Q – количество тепла, аккумулированное в перегретом слое воды; z0 – толщина слоя воды, в котором температура выше температуры кипения; св, ρ и Ткип – теплоемкость, плотность и температура кипения воды соответственно; Т – температура перегретого слоя воды на расстоянии z от поверхности; S – площадь зеркала жидкости. Сила выброса растет с увеличением степени перегрева. Считается, что выбросы нефтепродуктов происходят, когда температура гомотермического слоя достигает 200ºС и выше. Как правило, выброс носит пульсирующий характер с нарастанием высоты и объема факела и может длиться от 3 до 10 мин. Причиной растягивания этого процесса по времени считается неодновременное соприкосновение прогретого слоя с водой. Время τв от начала пожара до наступления выброса оценивают по формуле [6]: τв = (Н – h)/(uл + uгтс + v) (3.3) 17 где: Н – начальная высота слоя нефти в резервуаре, м; h – толщина слоя воды на дне резервуара, м; uл – линейная скорость выгорания жидкости; uгтс – линейная скорость роста гомотермического слоя; v – линейная скорость откачки жидкости из резервуара. В зависимости от выбранной единицы измерения линейных скоростей значение τв получается в м/мин или м/ч. Их значения, рекомендуемые для расчета, приведены в таблице. Линейная скорость выгорания и некоторых жидкостей Линейная скорость выгорания, м/ч До 0,30 Линейная скорость роста гомотермического слоя, м/ч До 0,10 Смесь нефти и газового конденсата До 0,20 До 0,40 Нефть До 0,15 До 0,40 Мазут До 0,10 До 0,30 Жидкость Бензин Следует иметь в виду, что реальное время выброса может весьма существенно (на несколько часов) отличаться от расчетного как в большую, так и в меньшую сторону. Это связывают со вскипанием в результате пенной атаки или наличия взвешенной воды в горящей жидкости. Хотя закономерность не выявлена, можно предположить, что после самопроизвольного вскипания выброс должен наступать раньше т. к. температура гомотермического слоя либо не изменяется, либо продолжает расти, а расстояние от нижней его границы до воды уменьшается в результате перелива части жидкости через борт резервуара. Выброс после вскипания в результате пенной атаки должен наступать позже т.к. поток раствора пенообразователя, образующийся при разрушении пены, охлаждает жидкость и замедляет рост температуры гомотермического слоя. Кроме того, вода может находиться не только на дне резервуара, но и скапливаться на деформированной поверхности затонувших или перекошенных понтона, плавающей или стационарной крыши, и т.д. В результате выброс может произойти при вскипании воды, находящейся значительно выше расчетного уровня. Из всего изложенного следует, что вскипание и выброс могут происходить при горении в резервуарах не только нефти и нефтепродуктов. В общем случае, для вскипания и выброса необходимо, чтобы в горящей жидкости или под ней находилась другая жидкость, которая нерастворима (или ограниченно растворима) в горящей и, кроме того, имеет меньшую температуру кипения. Контрольные вопросы: 1. Назовите основные причины возникновения пожара для разных типов резервуара. 18 2. Расскажите о характерных вероятных сценариях развития пожара на нефтяных резервуарах. 3. Назовите основные параметры пожара резервуара. 4. Как влияет излучательная способность пламени на скорость выгорания горючей жидкости в резервуаре. 5. Как влияет диаметр резервуара на высоту пламени при горении горючей жидкости в резервуаре? 6. Расскажите об особенностях горения однокомпонентных и многокомпонентных жидкостей. 7. Как распределяется температура по высоте резервуара для разных типов горючих жидкостей? 8. Что такое гомотермический слой и как он образуется? 9. Назовите основные причины вскипания и выброса нефти из резервуара во время пожара. Дополнительная литература 1. Безродный И.Ф., Гилетич А.Н., Меркулов В.А. и др. Тушение нефти и нефтепродуктов /Пособие/.-М.: ВНИИПО, 1996.-214с. 2. Блинов В.И., Худяков В.Н. Диффузионное горение жидкостей.-М.: АН СССР, 1961.-209с. 3. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров /Пер. с англ. К.Г. Бромштейна; Под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова.-М.: Стройиздат, 1990.- с. 162. 4. Koseki Hiroshi Combushion properties of large liquid pool fiers /Fier technol.- 1989, v.25, №3 .- p. 241 - 255. 5. Волков О.М. Пожарная безопасность резервуаров с нефтепродуктами.М.: Недра, 1984. 6. Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках.-М.: ВНИИПО, 1999.-29с. 19