Диссертация (Пожарная безопасность газовых технологических сред производственных процессов нефтегазовой отрасли), страница 9

Таким образом, традиционная модель реакции толькомежду молекулярными реагентами не способна обеспечить сколько- нибудьзаметный саморазогрев и тем более горение. Очевидно, что межмолекулярныереакции не могут быть также лимитирующей стадией горения. Сказанноеотносится и к попыткам описать одностадийной реакцией горение твердыхвеществввоздухе.Вэтихработахнеучитывается,чтовеличинапредэкспоненциального множителя ограничена максимально возможной частотойстолкновения газовых частиц с поверхностью.

Вывод о неспособностигазофазных нецепных реакций обеспечить горение подтвержден прямымиэкспериментами в широкой области температур и давлений [50].Явным противоречием модели нецепной реакции экспериментам являетсяпредотвращениеиподавлениегорения,взрыва идетонации,атакжепромотирование этих процессов малыми примесями ряда веществ. Очевидно, чтоесли бы горение при атмосферном давлении осуществлялось только реакциямиисходных молекул между собой, то влияние любых примесей сводилось бы лишьк слабому разбавлению смеси, но не к наблюдаемому предотвращению процесса.Концепция о тепловом, нецепном характере горения не совместима сналичием двух различающихся между собой режимов развившегося горения взамкнутых реакторах, один из которых проявляет все характерные особенностивзрыва, и с наличием критических условий перехода между этими режимами.Модельтепловогоконцентрационныхгоренияпределовпротиворечитраспространенияфактампламениотнезависимостиконкуренции51теплопотерь и тепловыделения.

В ряде случаев изменение этих пределов дажепротивоположно изменению скоростей теплоотвода и тепловыделения.Из противоречий наблюдаемых закономерностей процессов газофазногогорения представляниям, не учитывающим цепной характер этих реакций,следует, что выяснение роли цепной лавины в этих процессах при атмосферномдавлении является одной из важнейших проблем теории химической кинетики итеории горения. Выяснение степени участия реакционных цепей в горении ивзрыве в этих условиях относится также к научно- технической проблемехимическогоуправлениярежимамигоренияиразработкиэффективныххимических методов и средств обеспечения взрывобезопасности.1.4 Влияние фрикционных искр на возможность воспламенениягорючих парогазовых смесейИзвестно,чтофрикционныечастицы,образующиесяврезультатеотносительного перемещения двух контактирующих поверхностей, в зависимостиот их дисперсности, начальной температуры, наличия окислителя и другихфакторов могут разогреваться до температуры видимого свечения.

Частицывещества, образующиеся в результате трения или соударения и раскаленныедо температуры видимого свечения, принято называть фрикционными искрами.Фрикционные искры, которые образуются при трении или соударении рабочихчастей технологических машин и механизмов, а также при выполненииобслуживающим персоналом технологических и ремонтных работ, являютсяодним из распространенных источников зажигания взрывоопасных сред.Анализ работ [51-74], выполненный в работах автора, показал, что как внашей стране, так и за рубежом отсутствует общепризнанный метод оценки52искробезопасности конструкционных материалов.

Это свидетельствует обактуальности работ в этом направлении.1.5 Выбор направлений исследованийДляобеспеченияпожаровзрывобезопасноститехнологическихсредпроизводственных процессов предприятий нефтегазовой отрасли представляетинтерес определить условия флегматизации горючих газовых смесей. При этоммогут иметь случаи окислительных сред с содержанием кислорода, отличным отвоздуха. В то же время исследования, выполненные в этом направлении,немногочисленны. Горение таких горючих газов, как водород и метан, являетсяпроцессом, знание закономерностей которого необходимо для прогнозированияхарактеристик пожаровзрывоопасности тех или иных технологических аппаратов,так и для понимания особенностей горения более сложных по химическомустроению органических топлив. В то же время для более детального пониманиямеханизмов ингибирования сложных газовых смесей, содержащих метан иводород, представляет интерес изучение влияния химически активных агентов напроцесс распространения пламени при наличии окислительных сред, отличных отвоздуха с повышенным и пониженным содержанием кислорода.

Изучениегорения при пониженных концентрациях кислорода важно и интересно с другойточки зрения – с позиций поиска составов инертный газ + химически активныйагент,эффективныхсточкизренияобъёмногопожаротушенияивзрывопредупреждения. В то же время исследования, выполненные в этомнаправлении,достаточнонемногочисленны.Влитературепрактическиотсутствуют данные по кривым флегматизации смесей горючих газов и паров с53окислительными средами химически активными агентами при различныхконцентрациях кислорода в окислительной среде.Исходя из вышесказанного, актуальной задачей, решаемой в данной работе,является изучение условий флегматизации при горении в окислительных средах сповышенным и пониженным содержанием кислорода и в закиси азота.Для изучения влияния флегматизаторов на процесс распространенияпламенинеобходимознатьнетолькоконцентрационныепределыраспространения пламени смесей вида горючее – окислительная среда –флегматизатор, но и такие характеристики горения, как максимальное давлениевзрыва, скорость нарастания давления взрыва, нормальная скорость горения.

Изприведенноговышеобзоравидно,чтоисследованияуказанныхвышехарактеристик для смесей, близких по составу к концентрационным пределамраспространения пламени, достаточно немногочисленны. В то же время интерес кисследованиюхарактеристикгорениясмесейоколопредельногосоставаобусловлен следующими обстоятельствами. Во- первых, в соответствии симеющимисятеоретическимипредставлениямииэмпирическимизакономерностями адиабатическая температура горения околопредельных смесейприблизительно одинакова, что отвечает условию постоянства максимальногодавления взрыва для указанных смесей.

Представляет интерес проверитьвыполнение этой эмпирической закономерности для химически активныхразбавителей. Во- вторых, в соответствии с теоретическими представлениями иэкспериментальными данными при некоторой критической концентрациифлегматизатора или горючего в смеси (заметно отличающейся от предельной дляраспространения пламени) должно происходить резкое падение максимальногодавления взрыва. Также в литературе имеется полуэмпирическое правило оприблизительном постоянстве нормальной скорости горения околопредельныхсмесей.Указанныевышезакономерноститребуютдополнительногоэкспериментального подтверждения.

Кроме того, в литературе не описановлияние фторированных углеводородов на горение околостехиометрическихгазовых смесей, в которых окислительная среда имеет отличное от воздуха54(повышенное или пониженное) содержание кислорода. В связи с этимпредставляется целесообразным провести экспериментальные исследованияпоказателей пожарной опасности околостехиометрических смесей вида горючее –окислительная среда – фторированный углеводород при различных содержанияхкислорода в окислительной среде.Исходя из вышесказанного, в настоящей работе изучено влияниефторированных углеводородов на такие параметры горения предварительноперемешанныхсмесей,какконцентрационныепределыраспространенияпламени, максимальное давление взрыва, скорость нарастания давления взрыва инормальную скорость горения, что является наиболее важным для обеспеченияпожаровзрывоопасноститехнологическихсред,представляющихсобойпредварительно перемешанные смеси.Изучение предельных условий и характеристик диффузионного горениягазов до сих пор привлекает внимание многих исследователей.

В то же времяработы по изучению предельных условий гашения газовых диффузионныхфакелов при одновременной подаче флегматизатора в потоки горючего иокислителя весьма немногочисленны. При этом практически отсутствуютрасчетные формулы, позволяющие оценить минимальные гасящие концентрациифлегматизатора при его одновременной подаче в горючее и окислитель (заисключением, пожалуй, эмпирической формулы Ле – Шателье).

В связи с этимпредставляет интерес теоретически и экспериментально исследовать предельныеконцентраций огнетушащих средств по отношению к диффузионному факелу приих одновременной подаче в горючее и окислитель.В связи с вышесказанным в настоящей работе изучены предельные условиядиффузионного горения при подаче огнетушащего газа одновременно в горючее иокислитель.Недостаточно изученными остаются и механизмы зажигания газовыхсмесей искрами удара и трения.

При этом в литературе не описан универсальныйстандартизированныйискробезопасность.методиспытанийконструкционныхматериаловна55Исходя из вышесказанного, для определения условий зажигания газовыхсмесей искрами удара и трения была создан и апробирован соответствующийметод.Одним из часто применяемых на практике способов предотвращенияраспространения горючих газов и паров при авариях с разгерметизациейтехнологического оборудования на взрывоопасных производственных объектахявляетсяустройствоводяныхилипаровыхзавес.Применениезавесрегламентируется требованиями отечественных и международных нормативныхдокументов.

В литературе достаточно подробно описано влияние паровых иводяных завес на предотвращение распространения горючих газов и паров, в тоже время не представлено работ по изучению действия газовых завес инертногогаза (например, азота).В связи с вышесказанным в настоящей работе проведено исследованиеэффективности предотвращения распространения газового облака с помощьюгазовых завес.На основе проведенного в настоящем разделе работы анализа литературныхданных в настоящей работе ставятся и решаются следующие задачи, решениекоторых позволяет восполнить пробелы в имеющихся представлениях о горениипарогазовых смесей сложного состава с различным содержанием кислорода вокислительной среде:1)экспериментально изучить закономерности влияния фторированныхуглеводородов на характеристики воспламенения и горения смесей горючих газовсокислительнымисредаминаосновекислородаприразличныхегоконцентрациях в окислительной среде;2)экспериментально исследовать закономерности влияния фторированныхуглеводородов на характеристики воспламенения и горения горючих газов вокислительных средах на основе закиси азота;3) провести экспериментальное исследование огнетушащих концентрацийгазовых средств тушения по отношению к диффузионным пламенам метана иводорода при одновременной подаче огнетушащих газов в горючее и окислитель;564) создать метод оценки искробезопасности конструкционных материалов;5)выполнитьтеоретическоеисследованиеособенностейпроцессоввоспламенения и горения сложных газовых составов, позволяющее лучше понятьзакономерности протекания этих процессов для обоснованного примененияспособов снижения пожаровзрывоопасности технологических сред производствнефтегазовой отрасли;6) провести теоретическое исследование влияния газовых и водяных завесна ограничение распространения горючих газов и паров (расчетная оценкапараметров рассеяния проливов сжиженного природного газа на твердуюповерхность; оценка влияния газовых и водяных завес на предотвращениераспространения аварийных утечек горючих газов и паров).Для изучения процесса флегматизации выбраны такие горючие вещества,как метан (типичный продукт для нефтегазовой отрасли) и водород (газ который,соднойстороны,широкоиспользуетсявнефтегазоперерабатывающейпромышленности, и, с другой стороны, является одним из наиболее пожаровзрывоопасных продуктов нефтегазовой отрасли).

В качестве фторированныхфлегматизаторов выбраны соединения, широко используемые на практике длягазового пожаротушения. Выбор фторированных углеводородов для проведенияисследованийобусловлен5.13130.2009*«Системысигнализацииипроектирования»использоватьсяследующимипротивопожарнойпожаротушениятрифторметанвсоображениями.качествезащиты.автоматические.CHF3газовыхиУстановкиНормыпентафторэтаногнетушащихСогласносредств.СПпожарнойиC2HF5правиламогутАналогичныеположения содержатся и в международных нормативных документах (например,в стандарте NFPA 2001). Перфторбутан C4F10 выбран в целях изучения влиянияфторированного углеводорода с числом атомов углерода в молекуле более 3 нахарактеристики кинетических и диффузионных пламен с тем, чтобы проследить,как флегматизирующая и огнетушащая эффективности изменяются с ростомчисла атомов углерода С в молекуле ингибитора.57ГЛАВА 2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ИМЕТОДИК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙВ настоящей главе приведено описание экспериментальных установок иметодик определения характеристик воспламенения и горения горючих газовыхсмесей (концентрационные пределы распространения пламени, максимальноедавлениевзрыва,нормальнаямаксимальнаяскоростьгорения)скоростьинарастанияхарактеристикдавлениявзрыва,диффузионногогорения(огнетушащие концентрации средств объемного газового пожаротушения приподаче огнетушащего газа как в поток горючего, так и в поток окислителя).Погрешности измеряемых величин оценивались в соответствии с методами [79].2.1 Методика определения характеристик воспламенения и горения горючихгазовых смесейЭкспериментальныеисследованияпоопределениюуказанныххарактеристик были проведены на экспериментальной установке «Вариант»,схема которой приведена на рисунке 2.1.