Изложено состояние проблемы пожарной безопасности автоцистерн с нефтепродуктами при воздействии тепловых потоков пожара. Исследованы процессы тепломассообмена в цистерне автомобиля для транспортирования нефтепродуктов. Рассмотрены различные ситуации потери теплоустойчивости цистерны при воздействии тепловых потоков пожара.
Представлены предельно допустимые (критические) значения температур и плотностей тепловых потоков системы "цистерна — технологическое оборудование — нефтепродукт — пожар". Результаты исследований могут быть использованы при оценке пожаровзрывоопасных ситуаций при транспортировании нефтепродуктов автоцистернами, анализе конструктивных решений по защите цистерны на стадии проектирования, экспертизе пожаров и взрывов.
Анализ аварийности при перевозках нефтепродуктов автомобильным транспортом в различных регионах России показывает существенное увеличение количества аварий, приводящих к ранениям и гибели людей, разрушениям зданий и транспортных средств. В результате анализа аварий с автоцистернами (АЦ) для перевозки нефтепродуктов выяснилось, что около половины всех аварий (46 %) происходит в результате дорожно-транспортных происшествий (ДТП),9%аварий — на сливо-наливных эстакадах (СНЭ), порядка 3 % — на автозаправочных станциях (АЗС), при этом в большинстве случаев происходит пожар АЦ (63 %).
Абсолютное большинство пожаров на пунктах налива АЦ (80,6 %) и АЗС (62 %) возникают в результате утечек нефтепродуктов из-за переливов цистерн и неплотностей соединений при проведении технологических операций слива (налива) нефтепродуктов. Результатом воздействия тепловых потоков пожара может быть разгерметизация цистерны или взрыв с образованием "огненного шара". В случае разгерметизации конструкции цистерны происходит увеличение площади пожара пролива и перемещение потока горящей жидкости на автомобильные дороги, другие автотранспортные средства, здания и сооружения.
Транспортирование нефтепродуктов автомобильным транспортом сопряжено с повышенным риском в связи с опасностью возникновения ДТП, при этом около половины случаев ДТП с автоцистернами вызвано превышением скоростного режима. Пожары в результате ДТП представляют наибольшую опасность для людей и окружающей среды, особенно при перевозке ЛВЖ и ГЖ.
Повреждение узлов и систем автомобиля при ДТП способствует развитию пожара, а заклинивание дверей и травмирование людей препятствует возможности тушения пожара ручными средствами и быстрой эвакуации пострадавших. Переворачивание АЦ представляет значительный риск возникновения пожаровзрывоопасной ситуации в случае разгерметизации цистерны и утечки нефтепродукта. Переворачивания происходят в результате превышения скорости, дорожных повреждений, неисправности автомобиля.
Одним из примеров пожара в результате ДТП является авария на автостраде в штате Аризона 8.12.2000 г., когда опрокинулась и загорелась АЦ емкостью 35000 л с пятью отсеками, в четырех из которых находился бензин, в среднем отсеке — дизельное топливо. Температура топлива в отсеках составляла порядка 97 °С при нижней предельно допустимой температуре, определяемой температурой начала кипения, — 30 °С. В результате воздействия тепловых потоков пожара 4 отсека взорвались. Площадь пожара составляла около 100 м2,высота пламени — 10 м.
Авария в городе Насик (Индия) в мае 1987 г произошла в результате утечки топлива (0,2 м3)из припаркованного на автобусной остановке трейлера, которое загорелось с последующим взрывом цистерны; при этом 9 человек погибли, 27 человек получили серьезные ранения.
По характеру очага и масштабу горения пожары АЦ можно разделить на:
- факельное горение парогазовой фазы из дыхательного клапана и жидкости, вытекающей из цистерны;
- горение разлившейся жидкости из цистерны;
- пожары, сопровождающиеся взрывами парогазовоздушных смесей, происходящих внутри цистерн;
- сложные пожары, представляющие горение струйного истечения и разлитых нефтепродуктов.
Последствия пожара на автоцистерне, предназначенной для перевозки нефтепродуктов
На основе анализа аварийных ситуаций при транспортировании нефтепродуктов АЦ определены участки конструкции цистерны, на которые наиболее часто происходит воздействие тепловых потоков пожара: боковая поверхность конструкции; торцевая часть конструкции со стороны кабины; открытая поверхность конструкции.
Оценка теплоустойчивости АЦ от воздействия пожара является одним из приоритетных вопросов в обеспечении противопожарной защиты и основана на решении двух задач: внешней, связанной с изучением закономерностей распределения тепловых нагрузок при открытых пожарах нефтепродуктов, и внутренней, связанной с изучением вопросов тепло- и массообмена, происходящих в цистерне, обогреваемой теплом от пожара.
Теплоустойчивость цистерны с нефтепродуктом при воздействии очага пожара можно характеризовать следующими параметрами:
- температуры нагрева смоченной и несмоченной стенок цистерны;
- термические напряжения, возникающие в оболочке цистерны;
- концентрация паровоздушной смеси внутри цистерны.
Потеря теплоустойчивости цистерны включает в себя следующие возможные ситуации:
1. Взрыв паровоздушной смеси в цистерне, возникающий при одновременном выполнении следующих условий:
где Тс — температура прогретой стенки; Тсе — температура самовоспламенения нефтепродукта.
Моменты наступления этих условий могут не совпадать. Так, горючая паровоздушная смесь в цистерне может быть еще до воздействия тепловых потоков пожара. Воспламенение ее не произойдет, пока несмоченная стенка цистерны не нагреется до опасной температуры. Но и в цистерне с горючей смесью взрыв может не произойти, если к моменту опасного нагрева конструкции смесь будет за верхней границей области воспламенения. Возникновение горючей паровоздушной смеси происходит при незначительном количестве нефтепродукта в цистерне и условии доступа воздуха через открытый люк цистерны или отверстие, образовавшееся в результате повреждения конструкции цистерны.
2. Факельное горение паров над дыхательным клапаном цистерны происходит при одновременном выполнении следующих условий:
3. Разгерметизация цистерны в результате потери прочности из-за возникновения термических напряжений в оболочке цистерны происходит при условии:
Перепад термических напряжений, вызывающий разгерметизацию конструкции, происходит на границе раздела жидкой и парогазовой фаз. Анализ пожаров АЦ показывает, что данная ситуация возникает при заполнении цистерны на 40 — 60 %.
При прогнозировании параметров оболочковых конструкций применяется принцип равнотеплоустойчивости, включающий в себя критерий равнопрочности. Задачи оценки теплоустойчивости емкостей с различными рабочими жидкостями встречаются при оценке теплоустойчивости емкостей пожарных автомобилей (цистерны с водой или пенообразователем, емкости с гидравлической жидкостью автолестницы или подъемника, топливные баки), емкостей с топливом стационарных силовых установок.
Понятие теплоустойчивости подразумевает способность конструкции обеспечивать заданные значения эксплутационных показателей (теплостойкость оболочки и тепловой режим жидкой и парогазовой сред) в условиях пожара в течение заданного времени. Теплоустойчивость АЦ для перевозки нефтепродуктов должна обеспечивать выполнение своего основного назначения — безопасное и эффективное транспортирование и хранение нефтепродуктов при заданном уровне теплового нагружения.
Критерий теплоустойчивости i-гo элемента конструкции:
Конструкция считается равнотеплоустойчивой, когда критерии теплоустойчивости всех ее элементов < 1. Принцип равнотеплоустойчивости позволяет на стадии расчетов определять наиболее слабые места конструкции системы и, ориентируясь на них, проводить расчеты и эксперименты, тем самым повышая уровень безопасности.
Тепло- и огнестойкость элементов конструкции емкостей можно обеспечить при выполнении условия:
Предельно допустимые (критические) значения температур и плотностей тепловых потоков системы "цистерна — технологическое оборудование — нефтепродукт — пожар" определены в работе (табл. 1).
В результате проведенного анализа поставлена задача по разработке имитационной модели по оценке теплоустойчивости цистерны автомобиля для транспортирования нефтепродуктов с учетом работы предохранительного клапана при различных ситуациях воздействия тепловых потоков пожара.