Условия возникновения и развития горения тепловой изоляции промышленных трубопроводов

ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Р. 3. Фахрисламов

канд. техн. наук, доцент Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. Ф. Белых

аспирантка Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. Я. Корольченко

д-р техн. наук, профессор Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

УДК 841.332

УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ГОРЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Исследована физическая модель процесса воспламенения и распространения пламени конструкций теплозащиты трубопровода. Рассмотрено математическое описание процессов воспламенения и распространения пламени. Приведены соотношения для скорости распространения пламени по горизонтальной поверхности термически толстых и тонких полимеров, а также для критической скорости срыва горения с поверхности. Ключевые слова: пожароопасность; воспламенение; тепловая изоляция; трубопроводы; полимеры; диффузия; пламя; горение.

Физическая модель процесса воспламенения и распространения пламени по тепловой изоляции трубопровода

Пожары, возникновение которых обусловлено воспламенением и горением полимерных материалов, ежегодно наносят большой материальный ущерб и приводят к человеческим жертвам. Статистические данные показывают, что причиной возникновения до 80 % пожаров является действие малокалорийных источников зажигания.

Воспламенение твердых горючих полимерных материалов — нестационарный процесс, при котором скорость выделения тепловой энергии возрастает с повышением температуры значительно быстрее, чем скорость теплопотерь. В ячеистых, волокнистых и зернистых вещестах и материалах при незначительном уровне падающего на них теплового потока (10-20 КВт/м2) может реализоваться режим тления, а при более мощном тепловом потоке — режим пламенного горения. При исследовании зависимости пределов воспламенения от состава газовой смеси в продуктах пиролиза материала необходимо использовать достаточно мощные источники зажигания.

Температура воспламенения — наименьшая температура вещества, при которой в условиях специаль-

ных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.

В соответствии с п. 2 ГОСТ 12.1.044-89 (далее ГОСТ) [1] пожаровзрывоопасность веществ и материалов — совокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распространению горения, следствием которого в зависимости от скорости и условий протекания может быть пожар (диффузионное горение) или взрыв (дефлагра-ционное горение предварительно перемешанной смеси горючего с окислителем). Полимеры удовлетворяют также условию п. 2.1.2 [1], т. е. являются материалами, способными возгораться при воздействии источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Для реализации воспламенения необходимо одновременное выполнение двух условий: температура поверхности горючего должна достигнуть температуры, при которой происходит его интенсивная газификация.

В теории газофазного воспламенения принимается, что вещество под влиянием внешнего источника нагрева пиролизуется с образованием горючих газообразных продуктов, которые смешиваются и взаимодействуют с окисляющим агентом — кисло-

© Фахрисламов Р. 3., Белых А. Ф., Корольченко А. Я., Кузнецов С. Ю., 2010

Рис. 1. Схема адиабатической структуры волны горения полимеров: 1 — продукты горения; 2 — зона горения; 3 — прогретый слой; 4 — исходный материал; X — координата вдоль оси поверхности материала в направлении распространения волны горения; Т — координата температуры, °С

родом воздуха. Взаимодействие последнего с полимером и горючими продуктами его разложения и газификации зависит от условий смешения, скорости диффузии реагентов. Горение полимеров представляет собой сложный физико-химический процесс, включающий химические реакции деструкции, сшивания и карбонизации полимера в конденсированной фазе, химические реакции превращения и окисления газообразных продуктов, а также физические процессы интенсивных теплопередачи и мас-сопередачи [2]. Таким образом, механизм горения полимеров представляет собой совокупность различных физико-химических процессов, в результате которых исходное вещество превращается в нагретые до высокой температуры продукты сгорания. Самопроизвольно распространяющуюся пространственную область, в которой реализуются эти процессы, называют волной горения. Простейшая схема структуры волны горения полимеров, соответствующая адиабатическому (т. е. при отсутствии потерь тепла в окружающую среду) образованию продуктов сгорания, показана на рис. 1. В этом случае волна горения состоит из узкой зоны реакции и примыкающего к ней прогретого слоя системы. В структуре волны горения полимерных материалов наблюдается резкое изменение температуры от начального (Тн) до максимального (Ттах) значения, соответствующего полному сгоранию реагентов, в газовой фазе [3].

Зарождение и возникновение горения полимерных материалов в стандартных условиях эксплуатации осуществляется в результате газофазного воспламенения горючих продуктов термоокислительной деструкции полимеров. В этом случае особенно важно учитывать диффузионные явления и анализ их влияния на развитие самоускорения экзотермических реакций окисления [3].

Процессы горения полимеров делятся на обычное газовое и гетерогенное горение, или тление. В первом случае большая часть тепла, ответственного за поддержание самостоятельного химического пре-

вращения, выделяется в газовой фазе при окислении газообразных продуктов деструкции полимера. При этом область максимальной скорости выделения тепла (газовое пламя) обычно отстоит от поверхности на расстояние порядка миллиметров и более в зависимости от конкретных условий горения. Поверхность полимера в таком случае оказывается значительно холоднее области газового пламени. Температуры поверхности составляют 400-650 °С, а максимальные температуры в газовой фазе достигают 1100-1200 °С и более. При тлении же все тепло выделяется главным образом в поверхностном слое конденсированной фазы, где и наблюдаются максимальные температуры (800-900 °С).

При горении органических полимерных материалов окислителем является кислород воздуха, а горючим — водород и углеродсодержащие газообразные продукты деструкции полимера, которые в результате окисления превращаются в воду и углекислый газ или при неполном окислении — в угарный газ (СО). Потоки горючего и окислителя в этом случае пространственно разделены, и химическая реакция их взаимодействия обычно лимитируется подачей реагентов к пламени диффузией или конвекцией. Газовое пламя носит тепловой характер, т. е. его существование определяется наличием достаточно большого теплового эффекта при сгорании продуктов деструкции полимера и сильной температурной зависимостью скорости реакции окисления (большого значения эффективной энергии активации). При горении полимеров наблюдаются критические явления, характерные вообще для процессов горения. Снижение температуры пламени по тем или иным причинам приводит к скачкообразному переходу от одного режима окисления — горения к другому — очень медленному окислению. Эти режимы различаются между собой по скоростям на многие порядки. Поэтому можно говорить о существовании критических условий, определяющих границы возможного горения данного материала. Следует отметить, что эти условия зависят от геометрии образцов и пламени, температуры полимера и газовой среды и не являются абсолютными характеристиками данного материала [4].

Характерной особенностью горения полимерной тепловой изоляции на трубопроводах является возможность распространения фронта пламени в горизонтальном, вертикальном или наклонном направлении, соответствующем положению трубопроводов.

Когда горение распространяется вертикально вверх, по направлению конвективных газовых потоков, теплопередача осуществляется не только лучистым теплообменом, но и конвекцией. Пламя и продукты в этом случае непосредственно омывают

поверхность горения. Скорость нагрева поверхности горения и скорость распространения пламени резко возрастают — в 5-10 раз и более.

Скорость горизонтального распространения пламени составляет несколько сантиметров в секунду и зависит от температуры факела пламени и геометрических размеров материала. На процесс воспламенения и распространения пламени существенное влияние оказывают также толщина и плотность материала, направление и скорость внешних газовых потоков. В связи с этим материалы подразделяются на термически толстые и тонкие. Если толщина горящего слоя меньше некоторого характерного размера, то говорят о термически тонком материале, если больше — о термически толстом. Установлено, что встречный поток воздуха снижает скорость распространения пламени по поверхности материала в 2-3 раза, а попутный — соответственно в 2-3 раза увеличивает ее [3].

Математическое описание процессов воспламенения и распространения пламени

Для описания условий воспламенения и выявления основных закономерностей процессов воспламенения и распространения пламени в конденсированной фазе чаще всего используют классическую тепловую теорию зажигания веществ [1]. При выявлении этих закономерностей тепловая теория рассматривает модели, предполагающие следующие допущения: постоянство физических свойств материала в процессе нагрева; одномерность теплопередачи; протекание химических реакций нулевого порядка; постоянство значения теплового потока, подводимого к материалу. Эти модели, разработанные для предварительно перемешанных смесей, не позволяют выявить взаимосвязи между характеристиками воспламенения полимерных материалов, для которых характерным является диффузионный режим горения.

Создание данных условий является определяющим в процессе распространения пламени. Резкое повышение температуры происходит на незначительном расстоянии по длине участка 5 от передней кромки пламени. Так, например, для полиметилмета-крилата эта температура составляет 560 °С, а длина участка 5 изменяется в зависимости от состава окружающей газовой фазы от 1,5 до 4,0 мм.

Полагая, что распространение пламени в основном определяется процессами передачи тепла от пламени в зону воспламенения на участке длиной 5, модель распространения пламени можно представить следующим образом (рис. 2).

Допустим, что фронт пламени распространяется по поверхности образца на участке 51 со скоростью и. Поверхность данного участка уже имеет

Фронт пламени

Рис. 2. Схема распространения пламени по материалу: Sj— участок поверхности образца, по которому распространяется пламя; S2 — участок поверхности, прогреваемый падающим тепловым потоком g от пламени

температуру, равную Ts. Значит, за промежуток времени х = S/U поверхность участка S2 должна успеть прогреться до такой же температуры за счет падающего теплового потока g от пламени.

Таким образом, задача определения скорости распространения пламени по полимерному материалу может быть сведена к расчету изменения температуры поверхности образца за время х под действием теплового потока g.

Будем считать, что градиенты температуры в образце по направлению, параллельному поверхности тела, значительно меньше, чем в направлении нормали к поверхности. Тогда изменение температуры в образце будет описываться следующим дифференциальным уравнением теплопроводности:

8T_

~SXX

= a -

д 2T ду2

Начальными и граничными условиями задачи будут:

т = 0, А = 0;

у = 0, £ + X

У = А, Т = Те,

где Т — текущая температура; х — время;

а — коэффициент температуропроводности материала;

у — координата, начинающаяся на поверхности образца и направленная в его глубину; А — глубина прогретого слоя; X — теплопроводность образца; т — скорость выгорания;

Н — теплота образования продуктов пиролиза; Т0 — начальная температура на поверхности образца.

Типичное распределение температуры в образце в различные моменты времени будет иметь вид, представленный на рис. 3.

Решим задачу сначала для термически толстых образцов с помощью метода интегрального теплового баланса. При этом воспользуемся дополнительным условием, формулирующим постоянство температуры Т0 при координате у = А (см. рис. 3):

У = А, йТ/йу.

Интегрируя уравнение (1) в пределах от 0 до А и учитывая, что А является функцией времени, получим:

й | Тйу - То(А, т)йА = а

йт

дТ( А, т) дТ(0, т)'

ду

ду

Используя в уравнении (6) граничные условия (4) и (5), получим уравнение:

йт

| Тйу - Т0 ^ = - а

дТ

ду

Зададим распределение температуры в массиве материала на глубине А, которое будет описываться полиномом второй степени с коэффициентами, являющимися функцией времени:

Т = А + В (А - у) + С (А - у )2

где А, В и С — коэффициенты полинома.

Определив коэффициенты полинома, с помощью условий (3) - (5) получим распределение температуры:

Т = Т

Я-тК ( а- у )2.

2ХА

Если соотношение (9) подставить в уравнение (7) и провести необходимые преобразования, то получим дифференциальное уравнение, определяющее зависимость между временем и глубиной прогрева слоя А:

1 йА2 6 йт

= а.

С учетом начального условия (2) решением уравнения (10) будет:

А = л/60Г

В соответствии с выражением (11) распределение температуры в образце (9) будет иметь вид:

т=тп + Я -тНГл/бат - у 12.

2Хл/6ат

Для того чтобы найти зависимость изменения температуры на поверхности образца по времени необходимо в уравнении (12) задать у = 0. Тогда с учетом того, что к моменту времени т = 5/итемперату-

< т2 < т3

ч

А1

Д2

Аз

Рис. 3. Распределение температуры в полимерном материале в различные моменты времени

ра на поверхности массива образца материала будет равна Т,, скорость пламени для термически толстого материала будет определяться выражением

и =

35

где с и р — соответственно теплоемкость и плотность образца материала.

Для получения аналогичного вывода, справедливого для термически тонкого материала, следует воспользоваться решением Гудмана, полученным им для бесконечной пластины методом интегрального теплового баланса.

В принятых нами обозначениях температура на поверхности образца материала в любой его точке описывается уравнением

Т, = Тп

Я - тН

X

1 - 0,8141

- 2,4ат/12

где 1 — толщина пластины.

Поскольку нами не ставится задача получения точного решения, то с целью упрощения расчетов стоящий перед экспонентой коэффициент 0,814 заменим на единицу.

Кроме того, как показывает оценка показателя экспоненты, для малых времен пробега пламени на расстояние 5 имеем:

2,4ат

< 1.

Поэтому, ограничиваясь двумя первыми членами разложения экспоненты в ряд и выражая время через скорость распространения пламени по участку 5, для термически тонкого образца, будем иметь:

и=

2,45 (я - тН) с Р1 (Г - Г0) •

Неизвестное значение я определим через часть теплового потока, передаваемого непосредственно

0

0

от пламени участку 5. Так как длина участка 5 неве^ лика, то величину £ можно представить в виде:

Х г

£

где Хг — теплопроводность парогазовой фазы; Тпл — температура пламени. Подставив выражение (16) в соотношения (13) и (15), получим уравнение скорости распространения пламени по поверхности:

• для термически толстого образца материала:

и _ф [Xг

Xср5 (Т, - Т0) ;

• для термически тонкого образца материала: V [XГ(Тпл - Т,) - 5тН]2

и_

с Р1

где ф и у — числовые множители.

Длину участка прогрева 5 можно определить с помощью выражения

2Х г

5_

С г Р гиа

где сг , рг — теплоемкость и плотность парогазовой фазы;

иа — скорость воздуха, поступающего в зону реакции под действием силы тяжести. Значение этой скорости можно определить с помощью приближенного соотношения

иа

Х г £

Сг Р г Т0

Подставляя соотношение (19) в уравнение (17), получим окончательное выражение для определения скорости распространения пламени по поверхности термически толстого материала:

-12

ФХг СгРгиа

и_

(Тпл - Т ) -

2тН

Сг Ргиа -

2 Х с Р

Для более полного изучения процесса распространения пламени по поверхности твердого материала, помимо скорости распространения пламени, необходимо знать и критическую (предельную) скорость распространения пламени, при которой происходит срыв пламени (процесс горения).

При определении предельной скорости распространения пламени по поверхности материала предположим, что с определенной скоростью и не пламя движется по поверхности образца, а сам образец перемещается, как бы набегая на пламя. В данном случае относительно наблюдателя фронт пламени будет неподвижным, и его тепловое состояние

может быть описано стационарным уравнением теплопередачи. Составим уравнение теплового баланса, соответствующее этому состоянию.

Если к поверхности пламени, имеющей температуру Т, переносится поток массы горючей смеси Р и, то вместе с ней переносится и ее энтальпия Q1:

01 = Рр иБср(Т- Тс),

где Рр, ср — плотность и теплоемкость выделяющихся паров с поверхности материала; Б — площадь поверхности переднего фронта пламени;

Т0 — температура окружающей среды. Количество тепла 02, выделяющегося в объеме пламени за счет тепла химической реакции, представим в виде:

02 = QVW (Т),

где V — объем пламени;

0 — тепловой эффект реакции; W (Т) — скорость реакции горения. Кроме того, на противоположной стороне от фронта пламени часть выделяющегося тепла передается конвекцией в окружающее пространство:

= аБ (Т - Т0),

где а — коэффициент теплоотдачи.

Учитывая, что объем пламени V = Sd (где й — толщина зоны реакции), и используя уравнения (22) и (24), получим окончательное уравнение теплового баланса:

QdW(Т) = (й- Риср)(Т- Т>).

Считая все участки пламени равнодоступными в диффузионном отношении, скорость реакции запишем в виде:

W (Т) _кРср; к_к 0 е - ЕЯТ, к + р

где к — константа скорости реакции горения; Р — коэффициент массоотдачи; с0 — концентрация окислителя вдали от реакции горения;

к

предэкспоненциальный множитель;

Е — энергия активации;

Я — универсальная газовая постоянная.

Довольно сложная зависимость уравнения (26) не позволяет непосредственно использовать это выражение при определении критических условий срыва пламени. Однако для диффузионного режима горения при к >> р уравнение (26) можно представить в виде:

w (Т) _Рс0 (1 -А е -ЕЯТ X I кп

з

С учетом полученного уравнения (27) уравнение (25) примет вид:

бР се Г1 - е^Е'КТ 1 =

Найдем критическое условие, воспользовавшись касанием кривых теплоподвода (я1) и тепло-отвода (я2) от пламени при критической температуре, которая описывается в точке касания системой уравнений, предложенной Н. Н. Семеновым:

&1 = g2,

4?1 = йМ2_ йТ йТ

Продифференцировав по температуре уравне ние (28), получим:

ЕбР2 С0 еЕЯТ

ЯТ 2 к„

= (а -риср).

Решая систему из уравнений (28) и (30), получим квадратное уравнение относительно критической температуры Т:

Г2 + ЕТ -Е

Я

б Р О

я i а -риср

- Т I = 0.

При стационарном горении при температуре пламени Тпл с учетом диффузионного режима горения имеем:

РеЕ/ЯТпл

^- < 1.

к 0

Тогда из уравнения (28) следует:

б Р с0 «

Подставив выражение (33) в (31), получим уравнение

Т2 + ЕТ - Е т = 0,

Я Я решением которого будет:

Е Е ТкР =-2Я + 2ЯЛ П'

4ЯТп Е

Если разложить радикал в ряд и ограничиться тремя членами разложения, то для критической температуры получим выражение

кр

Тт -

ЯТп2

Воспользовавшись данным выражением (36), критическое условие запишем в виде уравнения

Е

б Р с

1-

Ре

я

=

ЯТ 2

Т - пл - Т

Преобразуем в данном уравнении экспоненту следующим образом:

Е Е

еЯГпл(1 -ЯТпл/Е) еЯТпл(1 + ЯТп^/Е) =

= е • еЕятпл = [1 + (е - 1)]Е/ЯТпл е.

Используя полученное преобразование в уравнении (37), с учетом выражения (33) будем иметь:

бР2 С

к 0

ЯТ

Решая уравнение (38) относительно критической скорости распространения пламени и , мож-

но вывести для нее уравнение:

икр =

ср р

1-

бР2Е^(е - 1) еЕ/ЯТп'

аятпл к 0

Оценим величину второго члена стоящего в квад ратных скобках уравнения (39). Для этого перепи шем его в виде:

Р Е бР с

к0е"Е/ЯТпл ЯТпл а

(е - 1),

где е — основание натуральных логарифмов.

С учетом условия (38) и того, что для обычных реакций горения е/ЯТ^ < 1, произведение двух первых членов значительно меньше единицы.

Согласно выражению (33) величина б$с0/й существенно положительна и меньше единицы.

Поскольку (е - 1) < 2, то порядок величины выражения (40) значительно меньше единицы.

Таким образом, уравнение (39) можно записать в более простом виде:

иКр = а/

Из последнего выражения вытекает, что химическая природа полимеров практически не сказывается на критической скорости распространения пламени. Если обе части (41) умножить на ср р5 (Тпл - Г0), то получим простое физическое толкование критического условия. Критическая скорость пламени возникает тогда, когда количество тепла, подводимого к пламени путем пиролиза, практически равно теплу, отводимому от пламени за счет конвекции. При этом выделение тепла в результате химических реакций несопоставимо с указанными выше значениями.

В заключение можно отметить, что проведенный элементарный анализ позволил построить простые соотношения для скорости распространения пламени по горизонтальной поверхности термически толстых и тонких полимеров, а также для критической скорости срыва горения на их поверхности.

0

0

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 12.1.044-89*. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — Введ. 01.01.1991 // Сборник НСИС ПБ. — 2007. — № 3(31).

2. БаратовА. Н., Андрианов Р. А., Корольченко А. Я., Михайлов Д. С., Ушков В. А., Филин Л. Г. Пожарная опасность строительных материалов. — М. : Стройиздат, 1988.

3. Асеева Г. М., Заиков Г. Е. Горение полимерных материалов. — М. : Наука, 1981. — 279 с.

4. Берлин А. А. Горение полимеров и полимерные материалы пониженной горючести. — М. : МФТИ, 1996.

Материал поступил в редакцию 12 октября 2010 г. Электронный адрес авторов: аЫуа-аНипоуа@таИ.ги.

Издательство «ПОЖНАУКА»

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, ул. Давыдковская, д. 12, стр. 7; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru

Представляет новую книгу