2.Динамика развития пожаров в резервуарах с жидкостями

Горение жидкости в резервуаре представляет собой горение паровоздушной смеси, образующейся над зеркалом горючей жидкости.

Кислород, необходимый для горения, поступает в зону горения из окружающей среды вместе с воздухом, интенсивно притекающим в зону горения под действием сил конвективной молярной диффузии. Поэтому пламя горючих жидкостей в резервуарах является диффузионным, когда процесс перемешивания горючего и окислителя происходит непосредственно перед зоной протекания химических реакций.

Известно, что характер, форма и размеры пламени при прочих равных условиях определяются видом горючей жидкости, ее температурой и размерами сосуда. Для небольших сосудов характерны ламинарные режимы горения. С увеличением объемов сосудов режим горения переходит в турбулентный. Горение жидкостей в технических резервуарах в большинстве случаев бывает турбулентным.

На высоту факела пламени резервуара большое влияние оказывает скорость ветра. при скорости ветра V_В>1 м/с относительное увеличение высоты пламени и отклонение его от вертикальной оси горючих жидкостей различно. При скорости ветра около 4 м/с и более отклонение факела пламени от вертикальной оси составляет 60-70°, т.е. пламя практически горизонтально, и массовая скорость выгорания горючей жидкости возрастает на 45-50%.

Экспериментально установлено, что при горении жидкостей распределение температур по толщине может быть двух типов. В одном случае передача тепла с поверхности жидкости в глубину осуществляется теплопроводностью, что приводит к прогреву жидкости на небольшую глубину (2-5 см). Температура в прогретом слое быстро понижается с увеличением расстояния от поверхности жидкости. Величина прогретого слоя остается постоянной и не изменяется по мере выгорания жидкости.

При горении жидкостей в резервуарах большого диаметра характер прогрева существенно отличается от первого. При горении возникает прогретый слой, толщина которого растет во времени, а температура в этом слое почти одинакова с температурой на поверхности жидкости. Такой слой называют гомотермическим.

Распределение первого типа характерно для горения керосина, трансформаторного и солярового масел, дизельного топлива и других жидкостей с высокой температурой кипения. При их горении температура стенки резервуара чаще всего не превышает температуры кипения, поэтому не возникает интенсивных конвективных потоков, а ,следовательно, и быстрого прогрева жидкостей вглубь.

Если при горении любых жидкостей охлаждать стенки резервуара, то гомотермического слоя не возникает, так как прогрев вглубь осуществляется в основном теплопроводностью. Прямым следствием образования гомотермического слоя при горении некоторых видов горючих жидкостей является выброс их из резервуара. Он обусловлен вскипанием перегретых слоев воды, расположенных под гомотермическим слоем горючей жидкости. Выброс происходит в тот момент, когда толща прогретого слоя достигает уровня воды. Это явление приводит к резкому увеличению площади пожара, интенсификации его распространения и развития. Кроме того, это явление представляет большую опасность для личного состава.

Кроме явления выброса, при определенных условиях может наблюдаться вскипание нефтепродуктов. К вскипанию способны все нефтепродукты, имеющие в своем составе воду и прогревающиеся при горении выше 100°С. В процессе прогрева нефтепродукта влага, находящаяся в верхних слоях, частично опускается в нижележащие и постепенно на границе прогретых и холодных слоев накапливается слой с повышенным содержанием влаги. Когда температура обводненного слоя повышается до 100°С и выше, начинается парообразование. Пузырьки водяного пара, двигаясь вверх, вспенивают нефтепродукт, объем его увеличивается, и если высота свободного борта невелика, то горящий вспененный нефтепродукт переливается через борт резервуара.

Открыто горящий резервуар с сорванной крышей оказывает сильное воздействие на окружающее пространство и в большинстве случаев является решающим фактором развития и распространения пожара. Из экспериментальных данных известно, что формирование пламени над поверхностью ГЖ в резервуаре завершается за 2 минуты. Температура пламени, в зависимости от вида горючей жидкости, колеблется в пределах 1000- 1500 ºС. Следовательно, процесс развития пожара в резервуаре можно рассматривать как стационарный процесс.

В первые минуты горения на поверхности жидкости устанавливается температура, близкая к температуре кипения данной жидкости или равная средней температуре кипения многофракционной жидкости. Температуру горения нефти существенно снижают примеси легких фракций и воды, и лишь по мере выгорания легких фракций температура горящей нефти возрастает до средней температуры кипения. Аналогичным свойством обладает обводненный мазут.

В резервуаре с диаметром d> 2 м – нефть и нефтепродукты выгорают с практически постоянной линейной скоростью: 0,3 м/ч – бензин; 0,15 м/ч нефть (с увеличением скорости ветра до 8-10 м/с линейная скорость выгорания возрастает на 30-50%).

В резервуаре с понтоном и плавающей крышей (при сохранении их плавучести) начальное горение происходит в разгерметизированном кольцевом зазоре.

При горении в зазоре у высокой свободной стенки подвод воздуха оказывается односторонним, вследствие чего высота факела возрастает в 2 раза. Однако, вследствие незначительной оптической толщины пламени, его излучательная способность падает.

Сокращением размеров пламени в резервуаре с плавающей крышей и понтоном, а также частично подорванной стационарной крышей, обусловлены некоторые положительные эффекты в начальной стадии пожара:

- низкая скорость выгорания;

- отсутствие опасного прогрева жидкости;

- отсутствие теплового воздействия на соседние резервуары.

На пожаре в вертикальном резервуаре (РВС) немаловажное значение имеет его огнестойкость. При рассмотрении этого вопроса, прежде всего необходимо условно разделить резервуар на две части - нижнюю и верхнюю, граница между которыми определяется уровнем жидкости в процессе пожара. Нижняя часть, заполненная жидкостью, подобно водонаполненной конструкции, обладает высокой степенью огнестойкости.

Огнестойкость не смачиваемой верхней части зависит от условий горения и является низкой, что создает определенные трудности в ликвидации пожара.

При высоком уровне жидкости возможно сохранение огнестойкости стенки в условиях пожара. Наблюдаемая на практике деформация верхних поясов горящих РВС может быть вызвана отрицательными последствиями поздно начатого охлаждения водяными струями.

Огнестойкость несмачиваемой части резервуара значительно падает с понижением уровня жидкости. Если к моменту прибытия пожарных подразделений стенка не разрушилась, то требуется эффективное и немедленное охлаждение, т.к. в результате задержки этого мероприятия возможна деформация стенки, особенно при низком уровне жидкости в РВС, видимые деформации наступают уже через 5- 15 мин.

В таких случаях снижение температуры стенки даже при достаточном количестве сил и средств становится затруднительным, т.к. деформированные стенки оказываются недоступными для эффективного охлаждения, в результате чего нарушается нормальное растекание и огнетушащий эффект подаваемой на тушение пены.

Огневые опыты в резервуаре с плавающей крышей (РВС-ПК) – 5000 м³ показали, что при свободном горении жидкости в кольцевом пространстве свыше 15 мин пожар распространяется за пределы расчетной площади, а при длительном горении происходит затопление крыши, после чего РВС превращается в обычный, с горением жидкости на всей площади зеркала жидкости.

При горении жидкостей в резервуарах возникает поверхностный нагретый слой, температура которого равна температуре на поверхности горящей жидкости. Ввиду постоянства температуры жидкости в нагретом слое, его называют гомотермическим. Толщина этого слоя растет со временем, достигая некоторого предельного значения или охватывая всю массу горящей жидкости. Формирование нагретого слоя – одна из причин и одно из необходимых условий возникновения вскипания и выброса горящей жидкости, особо опасных явлений, сопутствующих пожарам нефти и некоторых нефтепродуктов в подземных и наземных резервуарах, что приводит к резкому увеличению масштабов и тяжести последствий пожаров, а иногда и к человеческим жертвам. Скорость прогрева нефти 0,25-0,4 м/час, мазута- 0,3 м/час. Сырая необезвоженная нефть примерно через час с начала пожара может вскипать с переливом через борт резервуара, если величина свободного борта менее 1,5 м.

Развитие пожара в обваловании

При достаточно большом количестве пролитой жидкости в обваловании, характеристика факела пламени не отличается от характеристики пламени в резервуаре, а за расчетную форму пламени рекомендуется принимать прямоугольник с высотой 10 м, и длиной, равной стороне обвалования. Требования о защите от аварийного растекания нефти и нефтепродуктов путем обвалования резервуаров является одним из нормативных требований пожарной безопасности к резервуарам и резервуарным паркам. Однако такая защита, рассчитываемая на статическое удержание разлитой жидкости, недостаточна. Она не способна удержать динамическое растекание большой массы жидкости при мгновенном разрушении резервуара, а в результате неудовлетворительной работы канализации, часто приводит к отрицательным последствиям при тушении затяжных пожаров в резервуарных парках. Из полученных экспериментальных данных установлено, что время выгорания жидкости превышает предел огнестойкости металлических конструкций, это приводит к разгермегизации фланцевых соединений на узлах коренных задвижек, после чего в очаг пожара будут поступать новые порции нефтепродуктов. Горение в обваловании не позволяет откачивать жидкость из горящего резервуара, затрудняет охлаждение резервуаров и тушение горящей жидкости.

При выходе нефтепродукта в обваловывание, интенсивность обогрева горящего резервуара возрастает вдвое, возникает и явная угроза соседним резервуарам от теплового воздействия пожара в коре горящего РВС.

При чрезмерно высоком нагреве может быть потеряна механическая прочность несущих конструкций резервуаров и произойти зажигание горючей паровоздушной смеси в свободном пространстве соседних резервуаров. В результате обогрева, соседний резервуар может довольно быстро перейти из пожаробезопасного состояния в опасное, и наоборот, может произойти распространение горения на соседние резервуары и объекты. Механизм теплопередачи на соседний резервуар зависит от характера первичного очага пожара.

В безветренную погоду теплопередача на соседние резервуары происходит излучением. От наклоненного ветром пламени или продуктов горения возможна теплопередача одновременно излучением и конвекцией, главным образом к крыше и верхним поясам стенки резервуара.

К нижним поясам стенки происходит теплопередача при горении жидкости в обваловании.

При горении жидкости в частично заполненном резервуаре, если организованно охлаждение борта резервуара, интенсивность излучения от пламени падает при среднем уровне взлива на 20%, а при минимальном - на 50%. Однако, на горящем РВС с неохлаждаемыми стенками, снижение интенсивности излучения от открытого пламени почти полностью компенсируется излучением от раскаленных стенок резервуара.

Таким образом, при увеличении объема резервуара, сумма тепловых потоков на крышу становиться соизмеримой с потоками на стенку (для РВС- 5000) и даже превышает их для РВС>20000.

В резервуарах больших объемов из всех листовых конструкций крыша имеет минимальную толщину и во многих случаях она и будет служить источником зажигания. Поэтому в расчетах прогрева содержимого резервуара необходимо учитывать тепловые потоки, как на стенку, так и на крышу резервуара.

При тушении пожаров в резервуарных парках принимается, что расположенные на расстоянии < 2d резервуары от горящего находятся в пожароугрожаемом состоянии.

Состояние обогреваемого пожаром резервуара зависит от двух факторов: от состояния паровоздушной смеси внутри резервуара и от температуры нагрева элементов резервуара. При соответствующих соотношениях взрыв наиболее возможен для резервуаров с керосином, дизтопливом, концентрации которых при обычных условиях хранения, как правило, не достигают области воспламенения, но при пожаре в соседнем резервуаре могут входить в нее.

Аналогичными свойствами обладает резервуар, содержащий нефть с низкой упругостью паров, и резервуар с понтоном, в котором хранятся легковоспламеняющиеся жидкости, а также железобетонные резервуары с мазутом.

Переброс огня на дыхательную арматуру соседнего резервуара наиболее вероятен для резервуара с бензином, газовое пространство которого содержит богатую паровоздушную смесь.

В результате теплового воздействия возможны и другие опасные состояния в обогреваемом пожаров резервуаре (деформация и разрушение корпуса, вскипание жидкости у нагретой стенки). Их возникновения наиболее вероятны при накрывании или касании не горящего резервуара пламенем факела соседнего резервуара, при попадании на резервуар разлетающейся горящей жидкости и при горении жидкости в обваловании у стенки резервуара. Возможна различная защита от прогрева, однако в настоящее время имеется только один более или менее приемлемый способ защиты не горящего резервуара от прогрева - орошение водой, для этого нормируется интенсивность подачи 0,3 л/(с*м) на половину периметра, обращенного к горящему резервуару. Орошение осуществляется различными приборами подачи от подвижных сил, количество которых определяется расчетным путем. Защита резервуаров водяным орошением, сначала горящего, а затем соседних, рассматривается как первое действие пожарных подразделений.