ПОЖАРОВЗРЫВОПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НА ОБЪЕКТАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

В целях замещения дизельных моторных топлив альтернативными видами топлива в рамках энергетической стратегии ОАО «РЖД» разрабатываются газотурбовозы для перевозки грузов и пассажиров. В мировой практике уже имеется опыт применения газотурбинных двигателей, работающих на природном газе. Этот вид топлива более экологичен, но в некоторых случаях представляет большую опасность.

ООО НПО «СОПОТ» разработало новые инновационные средства пожаровзрывопредотвращения на объектах хранения, переработки и транспортировки СУГ и СПГ, провело патентные исследования и запатентовало новые технологии и средства пожаровзрывопредотвращения и купирования пожаров при аварийных проливах СУГ и СПГ.

1. Обоснование целесообразности применения инновационных методов пожаротушения на объектах железнодорожного транспорта с газотурбовозами и газотепловозами.

Нормативные требования по обеспечению пожаровзрывопредотвращения на подвижном составе, перевозящем или использующем в качестве моторного топлива СУГ или СПГ, практически отсутствуют. А отдельные нормативные документы, например, «Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности объектов хранения и переработки СУГ», разработанные ВНИИПО МВД России в 1999 г., настолько противоречивы, что их использование недопустимо, поскольку может привести к трагическим последствиям.

Железнодорожная катастрофа, подобной которой не знал мир, произошла в ночь с 3 на 4 июня 1989 года в Иглинском районе Башкирской ССР, когда при прохождении встречных поездов № 211 из Новосибирска и № 212 из Адлера произошел взрыв газа, который накапливался в низине вследствие утечки из продуктопровода. Утечка началась ориентировочно за 40 минут до взрыва. Мощность объемного взрыва по расчету специалистов сравнима с мощностью ядерного взрыва в Хиросиме (около 16 Кт). Из 1284 человек, находившихся в поездах, 575 человек погибло, а 657 – получило ожоги и травмы. Длина фронта пламени составила 15002000 м, кратковременный подъем температуры в районе взрыва достигал более 1000 градусов. Столб пламени был виден более чем за 100 км. Возникший при взрыве пожар охватил территорию около 2500 Га.

Имеется много других происшествий, свидетельствующих о том, что вероятность взрывов и пожаров на объектах железнодорожного транспорта, в том числе перевозящего сжиженный природный и углеводородный газ, чрезвычайно высокая.

2. Динамика развития аварийной ситуации, связанной с пожарами СУГ и СПГ.

За последние 20-30 лет была выявлена общая закономерность, которая состоит в том, что, если не рассматривать процесс динамического воздействия на емкости для хранения СУГ и СПГ, а рассматривать только процесс воздействия пламени того же СУГ и СПГ на конструкции цистерны, то динамику развития ситуации можно было бы описать следующим образом:

  1. При длительном воздействии тепла на конструкции процесс испарения криогенной жидкости интенсифицируется, что приводит к резкому повышению давления внутри сосуда.
  2. Процесс развития ситуации во многом будет зависеть от степени заполнения сосуда криогенной жидкостью, в любом случае сосуды с криогенными жидкостями для снятия давления внутри оборудуются предохранительными клапанами, которые при повышении давления выше нормативного открываются, стравливая порции газа в окружающую среду.
  3. Газ снаружи, как правило, вспыхивает, при этом увеличивая интенсивность лучистого теплового потока на конструкцию цистерны.
  4. Стравливание давления происходит до тех пор, пока внутри сосуда не установится допустимое давление, при этом предохранительный клапан вновь закроется.
  5. Но поскольку горение снаружи продолжается, неохлажденные конструкции цистерны продолжают нагревать криогенную жидкость и образовавшееся над ней газовое пространство. Цистерна в данном случае подвергается неравномерному нагреванию: в местах воздействия криогенной жидкости на металл с одной стороны температура составляет минус 42162о (со стороны пламени – 8001100о), в верхней части цистерны (пустой области) температура отличается от температуры на границы раздела фаз, и поскольку в свободном пространстве металл не охлаждается криогенной жидкостью, температура свободной газовой области и металла повышается.
  6. Все это приводит к резким перенапряжениям в металлических конструкциях, металлический каркас сухой части цистерны расширяется, так как металл при высоких температурах обладает текучестью.
  7. В конечном итоге при большом давлении внутри происходит разрыв корпуса и воспламенение высвобождаемой массы газов паровоздушной смеси (образующейся во время выброса потока криогенной жидкости из цистерны), с ускоренным взрывообразным горением, появление огненного шара и ударной волны.
  8. Разлет конструкций (даже очень больших по массе частей цистерны) возможен на 100-200 метров. При этом появляются мощные тепловые потоки, вызывающие сильные ожоги у людей, воспламенение горючих материалов на больших расстояниях от места взрыва, а также пожары и взрывы в радиусе до 300-400 метров.

В случае, если такое происходит на железнодорожном узле, например, находящемся в крупных городах, на которых хранятся, как правило, железнодорожные составы с горючими нефтепродуктами, взрывчатыми веществами и боеприпасами, аварийно химически опасными материалами, то вероятность уничтожения городских районов или в целом города с населением от 500 тыс. до 57 млн. чел. чрезвычайно высокая.

Величина площади пожара или мощность взрыва паров СУГ или СПГ  зависит от  типа  железнодорожного транспорта,  масштабов  аварии  и ситуационной обстановки при аварии. Недопустимо пренебрегать мерами снижения масштабов аварии и самой вероятностью возникновения пожара или взрыва в момент возникновения или в ходе развития подобных аварий. Тем более, что такие меры, технологические приёмы и промышленное оборудование для их успешной реализации на практике разработаны  в  России  в  2013–14  гг. и защищены  патентами  на  изобретение. Например, патенты №2170123, №2180607, №2442626, №2552968, №2552969, №2552971, №2552972, №2590379, №2577220 и др.

В  этих  патентах  вводятся  новые   понятия «купирование» и «взрывопожаропредотвращение» – уже после возникновения или на стадии активного развития аварии с выходом СУГ или СПГ из условий их изотермического хранения или  транспортировки.

3. Условия, необходимые и достаточные для взрывопожаропредотвращения аварийных ситуаций.

Особые теплофизические свойства криогенных горючих жидкостей создают благоприятные условия для разработки принципиально нового технологического приёма локализации и купирования аварии. Физическая сущность этого технологического приема состоит в создании устойчивого слоя замороженной пены (пенного тепло- и газозащитного слоя покрытия) на всей свободной поверхности пролитой жидкости. Путем выбора определенного вида пенообразователя, создания пены определенной, заранее заданной дисперсности и кратности и соблюдения требуемого режима ее нанесения на поверхность криогенной жидкости удается создать на ее поверхности стабильный пенозащитный «экран» (рис. 1).

Рис. 1. Схема технологии взрывопожаропредотвращения СПГ и СУГ при аварийном разливе, где

  • 1 – слой пролитой криогенной жидкости tкип  ≈–162°C;
  • 2 – ледяная подложка  ≈ 1–2 мм;
  • 3 – слой «сухой» замороженной пены  ≈ 2–5 см;
  • 4 – слой охлаждённой (мокрой) водовоздушной газонаполненной пены  ≈ 25–30 см;
  • 5 – замороженный слой поверхности контакта с СПГ и СУГ

Пенозащитный «экран» состоит из следующих слоев:

  • тонкая (порядка 1–2 мм) ледяная подложка;
  • сухая замороженная твёрдая пена (толщиной 1–5 см);
  • охлаждённая устойчивая воздушно-газонаполненная пена с практически неограниченной стойкостью (более одних-двух суток).

Этот пенный «экран» снижает до минимума теплоприток извне и препятствует проникновению паров горючего в надпенное пространство. При создании такого «экрана» на всей свободной поверхности СУГ или СПГ до момента их воспламенения интенсивность их испарения снижается настолько, что концентрация горючего газа в воздухе над слоем пены уменьшается до значения меньше концентрации его воспламенения (ниже 4 % объёмных для метана, и 2 % – для пропан-бутановой смеси). А это, в свою очередь, означает, что аварийная ситуация становится пожаровзрывобезопасной.

Этот пенный «экран» снижает до минимума теплоприток извне и препятствует проникновению паров горючего в надпенное пространство.

При создании такого «экрана» на всей свободной поверхности СУГ или СПГ до момента их воспламенения интенсивность их испарения снижается настолько, что концентрация горючего газа в воздухе над слоем пены уменьшается до значения меньше концентрации его воспламенения (ниже 4 % объёмных для метана, и 2 % – для пропан-бутановой смеси). А это, в свою очередь, означает, что аварийная ситуация становится пожаровзрывобезопасной.

При этом должны быть выполнены три необходимых и достаточных условия:

  • скорость нарастания толщины пенного слоя больше скорости потока паров горючего вверх Vпенн.сл > Vпот.п.г (мм/с);
  • обеспечена требуемая толщина слоя пены – более 25-30 см;
  • струйки горючего газа не прорываются локально, сквозь отдельные «свищи» и разрывы в пенном слое (рис. 2).
Рис. 2. Термодинамическая схема взрывопожаропредотвращения разлитых СПГ и СУГ, где:

  • 1 – граница раздела СПГ и СУГ с поверхностью разлива;
  • 2 – жидкая фаза метана tж = –162 °С (const);
  • 3 – «пар» СН4t = –162 °С (const), ρ = 1,86 г/м3, ρ = 1,5 ρвозд;
  • 4 – пористый лёд, образующийся при контакте комбинированной пены с СПГ и СУГ hˈсл ≈ 1–2 мм;
  • 5 – замороженный слой «сухой» пены  h»сл ≈ 2–5 см;
  • 6 – потоки пара/газа CH4 ;
  • 7 – незамёрзший слой пены («мокрая» пена);
  • 8 – струи CH4 (пар/газ);
  • 9 – метано-воздушная (газо-воздушная) смесь ≈ 5–25 %, =0,714 кг/м3,  =0,57

4. Анализ эффективности огнетушащих средств и способов их подачи.

Принятое в практике пожаротушения условное деление огнетушащих средств на 4 основных вида – действующих по механизмам: 1) охлаждения, 2) разбавления, 3) изолирования и 4) химического торможения,  –  при  более  глубоком анализе оказывается не совсем верным, а чаще –   и совсем неверным.

А от этого в большой степени зависит и выбор вида огнетушащего средства,   и режим, и способ его подачи при тушении пожара,  и  требуемое  его  количество, и требуемое для тушения время, и многие другие параметры тушения, и его конечный результат.

На подвижном составе в основном используются первичные средства пожаротушения: огнетушители, асбестовые покрывала и пр. На локомотивах и газотурбовозах, газотепловозах предусматриваются стационарные системы газового и водяного пожаротушения, однако рекомендаций по тушению розливов сжиженных природных газов и сжиженных углеводородных газов до сих пор не существует.

Применение порошковых составов самостоятельно (без воды) эффективно, но практически не целесообразно, поскольку порошковые составы не обеспечивают изолирование источников зажигания от продолжающего испаряться газа.

Применение, в соответствии с рекомендациями западных специалистов, воздушномеханических пен высокой кратности (Кп=700 и более) также является бесперспективным, поскольку сами пены являются носителями большого количества воздуха, обладают низкой стойкостью к воздействию племени и на открытом пространстве быстро удаляются с поверхности даже при небольших скоростях ветра.

Более эффективными являются огнетушащие составы в виде нейтральных газов (CO2, N2, и др.), однако применение нейтральных газов при тушении СУГ и СПГ, пролитых в большом количестве и на большой площади, также бесперспективно, поскольку они, как и порошки, не обеспечивают изолирование источников зажигания от соприкосновения с гозопаровоздушными смесями СУГ и СПГ.

Исследования последних лет, проведенные различными организациями, в том числе ООО НПО «СОПОТ», позволили получить принципиально новые результаты, подтверждающие возможность применения воздушномеханических пен для взрывопожаропредотвращения при розливах СУГ и СПГ.

Очень важную роль в вопросах купирования и тушения пожаров этого вида играет правильность выбора пенообразователя и изначальной кратности  и дисперсности применяемых ВМП. Тепловой эффект влияния пены, наносимой на поверхность СПГ или СУГ, сводится главным образом к тепловому эффекту взаимодействия, контакта жидкой фазы, стекающей из пены (так называемого «отсека», по прежней терминологии), с поверхностью СПГ или СУГ, и теми фазовыми превращениями, которые при этом происходят. Тогда весь эффект интенсификации испарения криогенного горючего лимитируется интенсивностью разрушения  пены  и стекания её жидкой фазы на поверхность   криогенного   горючего   Vж   (л/м2∙с).

Скорость или динамика процесса зависит от стойкости пены или скорости её разрушения. А это, в свою очередь, зависит от вида и природы пенообразователя, кратности пены, её дисперсности, интенсивности подачи и других параметров процесса купирования или тушения при ликвидации аварии. Но уже исходя из этих данных следует, что по соображениям нежелательной интенсификации испарения криогенных горючих пены более высокой кратности с КП от 30 до 70 и более предпочтительны, чем пены кратностью от 7 до 20, потому что теплоёмкость и теплосодержание десятикратной пены почти в 10 раз больше, чем стократной пены. Кроме того, по соображениям требуемого нами опережения скоростью роста толщины слоя пенного покрывала скорости вертикального потока паров горючего, реальных баллистических характеристик пен низкой, средней и высокой кратности, можно однозначно говорить о предпочтительности пен повышенной кратности. Потому, что без учёта интенсивности разрушения пены скорость роста толщины пенного покрывала на поверхности горючей жидкости можно оценить по величине: Vпен.сл.=I раств.п.о.Kп.

То есть при одной и той же интенсивности подачи раствора пенообразователя для купирования свободной поверхности СУГ или СПГ или для тушения пожара, при прочих равных условиях, скорость роста толщины пенного слоя тем больше, чем выше кратность пены. Потому что  по определению, по своему физическому смыслу, по размерности, интенсивность подачи огнетушащего средства в л/м2∙с равна одной тысячной м/с, то есть мм/с. То есть имеет размерность и физический смысл скорости. Поэтому в формуле  для VПЕН.СЛ чем больше КП, тем выше  скорость роста  толщины  пенного  слоя  и  тем  эффективнее купирование СУГ или СПГ или тушение пожара.

Однако, с учётом баллистических струй пены повышенной кратности, её поведения  на  открытой  поверхности  и   при контакте с СПГ, тактики тушения пожаров  и технологии купирования поверхности  СУГ или СПГ, и с учётом технических параметров современной техники для тушения таких пожаров с помощью ВМП, возникает ряд других не менее важных и убедительных аргументов в пользу комбинированного способа подачи пен низкой или средней кратности при расчёте оптимальной кратности пены для тушения пожаров и ликвидации аварий на объектах железнодорожного транспорта с крупнотоннажным оборотом СУГ или СПГ.

5. Пожаровзрывопредотвращение с помощью воздушно-механических пен и быстротвердеющих пен.

С целью выбора оптимальных огнетушащих средств для тушения и/или взрывопожаропредотвращения в июне 2017 года на полигоне ООО НПО «СОПОТ» совместно с ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко РАН проведены натурные испытания новых технологий взрывопожаропредотвращения.

Для осуществления поставленной цели на полигоне сформирован имитационный участок со следующим оборудованием (рис. 1):

  1. Контейнер типа 1СС (емкость для воды);
  2. Насосная станция «ЗВЕРЬ»;
  3. Фрагмент газотурбовоза;
  4. Емкость для имитации розлива сжиженного газа;
  5. Трубопровод для транспортировки СУГ.

Для заполнения емкости газом использовался газгольдер, который предварительно был заполнен сжиженным газом с помощью автогазовоза.

Для имитации утечки СПГ использовались емкости с метаном.

Тушение пожара обеспечивалось с помощью УКТП «Пурга-10», УКТП «Пурга-20» и УКТП «Пурга-40» стационарная с дистанционным управлением.

Средства имитации для проведения огневых испытаний (газгольдер, емкость для воды, автономный пожарный модуль контейнерного типа «Зверь», цистерна для СУГ)

Для создания теплоизолирующего слоя на цистерне с СПГ использовались пневмо-гидроимпульсные устройства (пневмо гидро пушки), обеспечивающие импульсную подачу бинарной смеси для получения быстротвердеющей пены.

С целью демонстрации процесса огнепреграждения на полигоне создан участок моделирования горения твердых горючих материалов. Заградительную полосу создавали с помощью быстротвердеющей пены, получаемой от огнетушителя ОТПТ-8.

5.1. Предварительная подготовка участка.

Сухотруб, соединяющий газгольдер с емкостью для сбора сжиженного газа, продувался сжиженным азотом и на поверхности емкости до температуры начала кипения (испарения) СУГ. По достижению температуры –42оС на поверхности емкости и в трубопроводе по команде руководителя емкость заполнялась сжиженным газом. По достижению слоя СУГ 5-6 см подача газа останавливалась. Через некоторое время от источника воспламенения парогазовоздушная смесь воспламенялась. Пламя быстро распространилось по всей площади горения. Время свободного горения СУГ составило 29 сек., после чего были произведены выстрелы бинарных смесей по центральной части резервуара. Во время выстрелов отмечалось прекращение горения в районе резервуара и на границе разлитой жидкости. Произведено 6 выстрелов (рис. 4). В результате на борту емкости с СУГ образовался слой пены толщиной до 2,5 см (рис. 5, 6), который обеспечил снижение температуры на поверхности резервуара с СУГ, что зафиксировали приборы.

После выстрелов была проведена пенная атака с помощью установок УКТП «Пурга». Полученные струи пены обеспечили быструю ликвидацию горения в течение 30 сек. на площади 100 м2. После тушения произошло повторное воспламенение на площади резервуара 1-2 м2 внутри емкости, которое было ликвидировано повторной подачей пены в течение 5-10 сек. На площадке в емкости резервуара создан устойчивый слой пены толщиной 0,3-0,5 м.

Выстрел бинарной смеси (быстротвердеющей пены) на объект защиты от пламени из пневмогидро пушки
Замер толщины слоя быстротвердеющей пены на поверхности резервуара. Толщина слоя пены 2,5 см
Подача пены от стационарной установки УКТП «Пурга-40» с дистанционным управлением на ликвидацию (купирование) горения СУГ

5.2 Испытания по определению теплозащитных свойств БТП.

26.06.2017г. с целью уточнения результатов записи температуры и видео съемки были осуществлены повторные испытания по определению возможности теплозащиты резервуара с СУГ (СПГ) от воздействия пламени истекающего газа.

Методика эксперимента следующая:

После поджигания с боковой стороны резервуара возникло пламя, охватывающее практически 100% боковой поверхности резервуара. По показаниям датчиков температура поверхности установилась в пределах 400-500оС. По истечении некоторого времени по поверхности резервуара произведено 6 выстрелов из пневмо-гидроимпульсной пушки, при этом температура на поверхности резервуара упала в среднем до 200-300оС, отдельные термопары показали температуру 0оС, что свидетельствовало о том, что бинарная смесь обеспечила полное тушение факела в месте истечения. В результате обработки резервуара бинарной смесью на поверхности металла образовался слой пены, который длительное время сдерживал температуру от пламени в пределах 100-300оС. В дальнейшем поступление газа было прекращено. Замеры температур показали, что в данном случае слой пены обеспечивал сдерживание теплового потока в течение более 5 мин., при этом температура на поверхности не превышала 150-200оС.

Эффективность теплоизоляционных свойств быстротвердеющей пены подтверждена результатами испытаний. В результате данных испытаний доказана возможность снижения температуры на поверхности металлических конструкций, обработанных быстротвердеющей пеной с 500 до 50оС и сдерживание теплового потока  течение более 3 мин.

Испытания на определение теплозащитных (экранирующих) свойств быстротвердеющей пены при воздействии на объект высокотемпературного источника пламени СУГ и СПГ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы получены новые данные, подтверждающие возможность обеспечения пожаровзрывопредотвращения (купирования) на современных железнодорожных подвижных составах, в том числе с газотурбовозами и газотепловозами, работающими на сжиженном природном газе.

Испытания показали, что при аварийных ситуациях на газотурбовозах и газотепловозах, а также на вагонах с пожаровзрывоопасными веществами (горючие жидкости, горючие газы, аварийно химически опасные вещества и др.) с помощью новых технологий получения комбинированных струй пен низкой и средней кратности (КП=30-50) на основе пенообразователей типа ПО-6ЦТ отечественного производства возможно создать теплозащитный экран из пены толщиной от 0,1 до 0,5 м.

Такая технология обеспечивает не только купирование процесса, но и эффективное пожаротушение розлива СУГ и СПГ на больших площадях.

Подачу пены могут обеспечить установки комбинированного тушения пожаров типа УКТП «Пурга» производительностью от 5 до 200 л/с с дальностью подачи от 20 до 120 метров, работающие от штатных пожарных насосов при рабочем давлении 0,8-1,0 МПа, при соблюдении условия одновременного закрытия всей поверхности розлива топлива слоем пены при интенсивности подачи от 0,6 л/с∙м2 (в начальный период тушения) до 0,06 л/с∙м2 (в конечный период тушения).

В процессе испытаний доказана возможность синхронного (совместно с тушением пожара пенами низкой и средней кратности) обеспечения процесса теплоизоляции горящего и негорящего объектов с помощью быстротвердеющей пены на основе структурированных частиц кремнезема (СДКП), обеспечивающей сдерживание воздействия пламени температуры 800-1000оС в течение длительного периода времени, что дает возможность в процессе тушения пожаров блокировать воздействие высоких температур на взрывопожароопасные участки объектов железнодорожного транспорта.

Результаты данных испытаний могут быть положены в основу разработки рекомендаций по тушению пожаров на железнодорожном подвижном составе и спасению людей, в том числе на газотурбовозах и газотепловозах.

Куприн Г.Н., генеральный директор ООО «НПО «СОПОТ», к.т.н., действительный член НАНПБ
Куприн Д.С., начальник лаборатории пожаровзрывопредотвращения ООО «НПО «СОПОТ»