Влияние параметров модификации на теплозащитные характеристики водногелевых составов в условиях углеводородного горения

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДИФИКАЦИИ НА ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГЕЛЕВЫХ СОСТАВОВ В УСЛОВИЯХ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГОРЕНИЯ

В.И. Михайлова;

A. В. Иванов, кандидат технических наук;

B. Я. Трофимец, доктор технических наук, профессор.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Представлены результаты исследований теплофизических свойств модифицированных водногелевых составов, применяющихся для целей тепловой защиты при углеводородных пожарах. Определены параметры электрофизической и температурной модификации гидрогелей для повышения эффективности установок тепловой защиты на объектах нефтегазового комплекса.

Ключевые слова: гидрогели, электрофизическая и температурная модификация, тепловая защита, переменный частотно-модулированный потенциал, углеводородный пожар

THE MODIFIED PARAMETERS EFFECTS FOR THERMAL PROTECTION PROPERTIES OF HYDROGEL IN JET FIRE CONDITIONS

V.I. Mikhaylova; A.V. Ivanov; V.Ya. Trofimetz.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

There are represented the researching physical properties of modified hydrogel, prepared by polymers of acrylic acid, for thermal protection in Jet fire conditions. The parameters of electrophysical and thermal modification is identified for increasing efficiency cooling equipment of petroleum products tanks.

Keywords: hydrogel, electrophysical and thermal modification, thermal protection, variable frequency modulated potential, jet fire

Углеводородные пожары, сопровождающиеся факельным горением резервуаров, являются редкими, но вместе с тем наиболее опасными авариями на объектах нефтегазового комплекса. Отмечается, что в 50 % случаев углеводородные пожары приводят к эффекту домино, то есть к каскадному распространению аварии и развитию пожаров с максимальными параметрами [1].

Пожары в резервуарных парках, как правило, начинаются со взрыва паровоздушной смеси внутри резервуара и сопровождаются интенсивным тепловым потоком, который, воздействуя на соседние резервуары в группе, приводит к развитию и распространению опасных факторов пожара. При этом может происходить вскипание и выброс за пределы резервуара горючей жидкости, что часто сопровождается усилением процесса горения [2]. При тушении пожаров в резервуарных парках необходимо охлаждать соседние с горящим резервуары, технологические аппараты и трубопроводы [3].

Для целей охлаждения резервуаров применяются стационарные установки охлаждения, которые состоят из горизонтального секционного кольца орошения (оросительного трубопровода с устройствами для распыления воды), размещаемого в верхнем поясе стенок резервуара, сухих стояков и горизонтальных трубопроводов, соединяющих секционное кольцо орошения с сетью противопожарного водопровода

и задвижек с ручным приводом для обеспечения подачи воды при пожаре на охлаждение всей поверхности резервуара и любой ее четверти или половины (считая по периметру) в зависимости от расположения резервуаров в группе [4].

В качестве основного охлаждающего агента в стационарных установках охлаждения используется вода, которая обладает хорошими теплофизическими характеристиками и является относительно доступным веществом. Однако защита металлоконструкций с использованием воды вследствие ее недостаточной вязкости и адгезионных свойств, требует повышенных расходов охлаждающего вещества. В стационарных установках охлаждения предлагается использовать водногелевые составы, полученные в условиях температурной и электрофизической модификации.

В качестве электрофизического воздействия на водные системы был выбран метод воздействия с помощью переменно-частотно-модулированного потенциала (ПЧМП) [5], который изменяет надмолекулярную структуру воды, что выражается в уменьшении ее удельного электрического сопротивления, увеличении pH и изменении ИК-спектров поглощения [6]. Также при электрофизическом воздействии наблюдается сдвиг некоторых пиков рамановских спектров в диапазоне 20-1 900 и 3 000-3 800 cm-1 [7]. Кроме того,

авторами [8] отмечено увеличение pH водно-солевых растворов в условиях электрофизического воздействия и незначительное снижение плотности при увеличении поверхностного натяжения воды.

Температурная модификация водногелевых составов (ВГС) основана на известных аномальных свойствах воды - уменьшении теплоемкости при повышении температуры вплоть до 40 иС и уменьшении вязкости при температуре от 0 до 25 иС.

В условиях факельного горения максимальную среднеповерхностную плотность излучения факела пламени горящего резервуара <7,+, можно определить по формуле [9]:

Qi

где dp - диаметр горящего резервуара; тВЬ[Г - массовая скорость выгорания жидкости.

При условии равномерного прогрева крыши и стенок резервуара, количество тепловой энергии, которая передается от горящего резервуара к соседнему, может быть выражено соотношением [10]:

V

Sc  Рс  Сс

где Sfc, <5С, рс, Сс - площадь, толщина, плотность и теплоемкость стального материала резервуара соответственно.

В условиях применения теплоизолирующих веществ на внешней поверхности резервуара количество тепла Q2, расходуемое на прогрев слоя защитного вещества на температуру Гргс, может быть определено соотношением:

= 5,

ВГС °вгс

где -?ЕГС, (5вгс_, рвгс, СЕГС - площадь, толщина, плотность и теплоемкость теплоизолирующего вещества соответственно.

Таким образом, изменяя параметры соотношения (1), можно получить охлаждающие вещества с прогнозируемыми свойствами, которые будут эффективны для охлаждения в условиях факельного горения.

В качестве материалов для исследования использовались дистиллированная вода и ВГС на ее основе. В качестве гелеобразующего компонента использовался редкосшитый акриловый полимер (РАП) марки «Carbopol ETD-2020».

Технология подготовки воды включала в себя воздействие ПЧМП с параметрами 220 В, 50 Гц в течение 30 мин при температуре 4 °С и 20 °С. Далее в емкость с водой добавлялись навески РАП в концентрации от 0,1 до 1,0 масс.%. В течение периода гелеобразования (до 12 ч) проводилось дальнейшее воздействие ПЧМП. Стабилизация ВГС проводилась путем введения в дисперсию 20 % водного раствора аммиака

в концентрации 0,1-1,0 масс.%.

Оценка изменения характеристических пиков ВГС в условиях электрофизического воздействия проводилась методом рамановской спектроскопии на установке Ntegra Spectra c длиной волны лазера 532 нм. Характеристическими для ВГС являются пики содержащейся в ней воды, соответствующие вибрационным (550 см"1) и валентным колебаниям (3 300-3 500 см"1) мод O-H (рис. 1).

Рис. 1. Рамановский спектр ВГС с концентрацией РАП 1,0 масс.%

Установлено, что воздействие ПЧМП на ВГС приводит к относительному уменьшению интенсивности пиков области рамановского спектра, соответствующих вибрационным колебаниям в диапазоне 560 см"1 и сдвигу характеристических частот в области валентных колебаний связей О-Н воды в интервале частот ~ 3 200 ... 3 500 см"1 (рис. 2).

Рис. 2. Рамановский спектр модифицированных ВГС: а) с концентрацией РАП 0,1 масс.%;

б) с концентрацией РАП 0,5 масс.%

Для исследования кинетики нагрева ВГС и определения зависимости теплофизических характеристик от способа модификации ВГС и концентрации РАП использовалась лабораторная установка, представленная на рис. 3. Исследуемый гидрогель равномерно распределялся на круглую металлическую пластину 1 диаметром 50 мм и толщиной 2 мм. Разогрев пластины происходил при ее непосредственном контакте с пламенем пропан-бутановой горелки 8, расположенной на расстоянии 200 мм от пластины. Температура металлической пластины фиксировалась термопарой. Предельным состоянием считалось достижение пластиной температуры 500 °С [11].

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для исследования поверхностного и объемного кипения жидкостей: 1 - металлическая пластина; 2 - слой гидрогеля на пластине; 3 - датчик термопары; 4 - штатив; 5 - цифровой мультиметр; 6 - емкость с гидрогелем; 7 - стенка

камеры; 8 - форсунка горелки

В таблице приведены данные о времени достижения предельного состояния образцов, находящихся в условиях тепловой защиты. Из приведенных данных можно сделать вывод об увеличении времени достижения предельной температуры металлической пластины в условиях электрофизической и температурной модификации и повышении эффективности тепловой защиты металлоконструкции в условиях углеводородного горения.

Таблица. Время достижения предельного состояния металла при использовании в качестве средства тепловой защиты модифицированных гидрогелей

0,1 % 0,1 % 0,1 % 0,2 % 0,2 % 0,2 % 0,25 % 0,25 %

не обраб. ПЧМП ПЧМП не обраб. ПЧМП ПЧМП не обраб. ПЧМП

53 59 55 76 62 128 101 144

0,25 % 0,3 % 0,3 % 0,3 % 0,5 % 0,5 % 1%

ПЧМП не обраб. ПЧМП ПЧМП не обраб. ПЧМП ПЧМП Вода

84 133 64 82 92 95 144 75

Данные о времени нагрева модифицированных ВГС и дистиллированной воды до максимальной температуры представлены на рис. 4, 5.

Рис. 4. Время достижения максимальной температуры металла в условиях тепловой защиты ВГС при концентрации РАП от 0,1 до 0,25 масс.% в сравнении с водой

Рис. 5. Время достижения максимальной температуры металла в условиях тепловой защиты ВГС при концентрации РАП 0,3...1,0 масс.% в сравнении с водой

Кинетика нагрева модифицированных ВГС представлена на рис. 6, 7. Из полученных данных можно сделать вывод, что время достижения металлом максимальной температуры возрастает с увеличением концентрации гелеобразующего компонента. Время нагрева ВГС при концентрации РАП менее 0,2 масс.% меньше времени нагрева дистиллированной воды на 10-20 %, в то время как при более высоких концентрациях модифицированные ВГС нагреваются медленнее (до 85 % в сравнении с водой), с наилучшим результатом для гелей с концентрацией РАП 0,2.. .0,25 масс.%.

Рис. 6. Кинетика нагрева металла при использовании ВГС с концентрацией РАП 0,1...0,5 масс.%, в сравнении с дистиллированной водой

Рис. 7. Кинетика нагрева металла при использовании ВГС с концентрацией РАП от 0,1 до 1,0 масс.%, в сравнении с дистиллированной водой

Таким образом, по результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

- ключевыми для электрофизической и температурной модификации являются условия применения ПЧМП, структурное строение воды при температуре, соответствующей процессу гелеобразования;

- применение электрофизической и температурной модификации позволяет изменять теплофизические характеристики ВГС, что может использоваться для повышения

эффективности установок тепловой защиты как для повышения скорости отвода тепла от поверхности нагрева, так и для обеспечения тепловой изоляции объекта защиты в условиях углеводородного пожара.

Литература

1. Gomez-Mares M., Zarate L., Casal J. Jet fire and the domino effect // Fire safety journal. 2008. № 43. P. 583-588.

2. Савченко А.В., Островерх О.А., Холодный А.С. Теоретическое обоснование использования гелеобразующих систем для охлаждения стенок резервуаров и цистерн с углеводородами от теплового воздействия пожара // Проблемы пожарной безопасности. 2015. № 37. С. 191-195.

3. Руководство по тушению пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках. М.: ГУГПС, ВНИИПО МВД России, 1999. 86 с.

4. СП 155.13130.2014. Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности // StandartGOST.ru - открытая база ГОСТов. URL: http://standartgost.ru/ (дата обращения: 11.06.2017).

5. Ивахнюк Г.К. (RU), Матюхин В.Н. (RU), Клачков В.А. (RU), Шевченко АО. (RU), Князев А С. (RU), Ивахнюк К.Г. (RU), Иванов А.В. (RU), Родионов В.А. (RU). Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз: пат. 2479005 Рос. Федерация; опубл.: 10.04.2013, Бюл. № 10. URL: http:// www. freepatent.ru /patents /2479005 (дата обращения: 10.05.2017).

6. Бессонова А.П., Стась И.Е. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на физико-химические свойства воды и ее спектральные характеристики // Ползуновский вестник. 2008. Т. 3. С. 305-309.

7. Pang X.F., Deng B. Investigation of changes in properties of water under the action of a magnetic field // Science in China Series G: Physics, Mechanics and Astronomy. 2008. Т. 51. № 11. С. 1 621-1 632.

8. Иванов А.В., Пятин Д.В., Ивахнюк Г.К. Определение физико-химических свойств модифицированных водных растворов для управления процессом детоксикации почв в условиях чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса // Проблемы управления рисками в техносфере. 2015. № 1 (33). С. 26-29.

9. Сучков В.П. Методы оценки пожарной опасности технологических процессов. М.: Акад. ГПС МЧС России, 2010. 155 с.

10. Абрамов Ю.А., Басманов А.Е. Оценка пожарной опасности резервуара с нефтепродуктом при его нагреве от пламени соседнего горящего резервуара // Радиоэлектроника и информатика. 2005. № 2. С. 110-112.

11. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний

на огнестойкость. Общие требования // StandartGOST.ru - открытая база ГОСТов. URL: http://standartgost.ru/ (дата обращения: 11.06.2017).

References

1. Gomez-Mares M., Zarate L., Casal J. Jet fire and the domino effect // Fire safety journal. 2008. № 43. P. 583-588.

2. Savchenko A.V., Ostroverh O.A., Holodnyj A.S. Teoreticheskoe obosnovanie ispol'zovaniya geleobrazuyushchih sistem dlya ohlazhdeniya stenok rezervuarov i cistern s uglevodorodami ot teplovogo vozdejstviya pozhara // Problemy pozharnoj bezopasnosti. 2015. № 37. S. 191-195.

3. Rukovodstvo po tusheniyu pozharov nefti i nefteproduktov v rezervuarah i rezervuarnyh parkah. M.: GUGPS, VNIIPO MVD Rossii, 1999. 86 s.

4. SP 155.13130.2014. Sklady nefti i nefteproduktov. Trebovaniya pozharnoj bezopasnosti // StandartGOST.ru - otkrytaya baza GOSTov. URL: http://standartgost.ru/ (data obrashcheniya: 11.06.2017).

5. Ivahnyuk G.K. (RU), Matyuhin V.N. (RU), Klachkov V.A. (RU), Shevchenko A.O. (RU), Knyazev A.S. (RU), Ivahnyuk K.G. (RU), Ivanov A.V. (RU), Rodionov V.A. (RU). Sposob i ustrojstvo upravleniya fiziko-himicheskimi processami v veshchestve i na granice razdela faz: pat. 2479005 Ros. Federaciya; opubl.: 10.04.2013. Byul. № 10. URL: http:// www.freepatent.ru /patents /2479005 (data obrashcheniya: 10.05.2017).

6. Bessonova A.P., Stas' I.E. Vliyanie vysokochastotnogo ehlektromagnitnogo polya na fiziko-himicheskie svojstva vody i ee spektral'nye harakteristiki // Polzunovskij vestnik. 2008. T. 3. S. 305-309.

7. Pang X.F., Deng B. Investigation of changes in properties of water under the action of a magnetic field // Science in China Series G: Physics, Mechanics and Astronomy. 2008. Т. 51. № 11. pp. 1 621-1 632.

8. Ivanov A.V., Pyatin D.V., Ivahnyuk G.K. Opredelenie fiziko-himicheskih svojstv modificirovannyh vodnyh rastvorov dlya upravleniya processom detoksikacii pochv v usloviyah chrezvychajnyh situacij na ob"ektah neftegazovogo kompleksa // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2015. № 1 (33). S. 26-29.

9. Suchkov V.P. Metody ocenki pozharnoj opasnosti tekhnologicheskih processov. M.: Akad. GPS MCHS Rossii, 2010. 155 s.

10. Abramov Yu.A., Basmanov A.E. Ocenka pozharnoj opasnosti rezervuara s nefteproduktom pri ego nagreve ot plameni sosednego goryashchego rezervuara // Radioehlektronika i informatika. 2005. № 2. S. 110-112.

11. GOST 30247.0-94. Konstrukcii stroitel'nye. Metody ispytanij na ognestojkost'. Obshchie trebovaniya // StandartGOST.ru - otkrytaya baza GOSTov. URL: http://standartgost.ru/ (data obrashcheniya: 11.06.2017).