ПРИМЕНЕНИЕ ГИБРИДНОЙ ПЕНЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ АЭРОПОРТОВ И ОБЪЕКТОВ ТЭК
Проблемы повышения эффективности методов и средств борьбы с пожарами нефтепродуктов как в Российской Федерации, так и во всем мире стояли перед специалистами уже много десятков лет. Так, например, в 60-70-ые годы ХХ века, в годы интенсивного развития авиационной промышленности, авиаперевозок, увеличения числа пассажиров гражданской авиации, достаточно остро стоял вопрос о необходимости создания в аэропортах СССР эффективных огнетушащих средств и систем.
Основной причиной постановки вопроса о наличии необходимого требуемого уровня противопожарной защиты аэропортов (аэродромов) была ухудшающаяся статистика авиационно-транспортных происшествий, связанных с послеаварийными пожарами на земле. Как правило, если при аварии воздушного судна на земле происходил пожар, даже в границах аэродрома, где должно находиться требуемое количество пожарных аэродромных автомобилей, то несмотря на их усилия по локализации и ликвидации пожара, самолет практически полностью сгорал и жертв от пожара не удавалось избежать.
Еще в 50-60-ые годы прошлого столетия перед группой экспертов Международной организации гражданской авиации (ICAO) была поставлена задача разработать рекомендации по обеспечению противопожарной защиты соответствующего уровня для аэропортов любых категорий. В основе этих требований, в первую очередь, лежала необходимость обеспечить высокую скорость пожаротушения в целях обеспечения минимального риска для жизни людей (пассажиров и экипажа) при их спасении с аварийного воздушного судна. Невыполнение требований ICAO в части, касающейся уровня противопожарной защиты, ставило под угрозу невключения аэропорта страны-члена ICAO в разряд международного уровня.
Исследования, проведенные во многих странах мира, в том числе в РФ, показали, что для успешного спасения людей из самолета, вокруг которого происходит горение топлива, необходимо обеспечить тушение разлитого после аварии топлива в пределах некой «критической площади» за время не более 1-2 минут. Эту задачу в то время выполнить было практически невозможно, но с появлением в 60-ые годы ХХ века в США нового огнетушащего средства под названием «Aqueous Film Forming Foam (AFFF)» решение этой задачи, на первый взгляд, стало возможным. Компоненты AFFF стали активно внедряться не только внутри США, но и за рубежом. Многие страны мира были вынуждены покупать у фирмы «3М» (США) пенообразователь AFFF в связи с необходимостью привести уровень противопожарной защиты аэропортов в соответствие с рекомендациями, а в дальнейшем и требованиями норм ICAO.
В 60-70-ые годы аэродромные пожарно-спасательные подразделения СССР использовали генераторы пены средней кратности типа ГПС 600 или стволы пены низкой кратности типа СВП для тушения пожаров послеаварийных самолетов.
Генераторы пены средней кратности типа ГПС 600 обеспечивали подачу достаточно хорошей изолирующей струи пены средней кратности, однако ее дальнобойность была крайне низкой (не больше 6-8 метров). Стволы пены низкой кратности обладали хорошей дальностью подачи (вплоть до 30-40 метров), однако их огнетушащая эффективность была чрезвычайно низкой. Кроме того, раздельное применение этих пен не обеспечивало требуемую скорость пожаротушения, что не соответствовало требованиям ICAO. Таким образом, в СССР возникла новая проблема: найти альтернативу американской технологии пожаротушения.
В конце 70-х годов ХХ века в ВИПТШИ МВД СССР на кафедре «Процессы горения» в результате диссертационного исследования автора данной статьи по теме «Анализ существующих методов тушения послеаварийных пожаров авиационной техники на земле и исследование путей повышения их эффективности» появилась разработка под названием «Установка тушения пожаров самолетов» (УТПС) [Рис. 1].
Особенностью этой установки являлась одновременная подача пен низкой и средней кратности, при этом пена низкой кратности, обладая высокой охлаждающей способностью, обеспечивает снижение температуры поверхности горения, на которую наносится пена средней кратности, обладающая хорошей изолирующей способностью, при этом практически не разрушается. Конструкция УТПС позволяла обеспечить увеличение дальности подачи пены средней кратности до 20-30 метров. Именно это изобретение позволило с большей скоростью тушить пожары на площадях более 400 м2 за время 40-60 секунд.
С появлением УТПС фактически был снят приоритет фирмы 3М (США) — производителя AFFF по главному параметру — скорости тушения пожаров. Применение УТПС, использующих относительно недорогие отечественные пенообразователи, свободные от фтора, давало огромный экономический эффект при высокой степени противопожарной защиты аэропортов.
В период 80-90-х годов установками тушения пожаров самолетов было оснащено большинство аэродромных пожарных автомобилей типа АА-40, АА-60 (МАЗ-7310) и пр. на аэродромах СССР.
В 1994 году фирма ООО НПО «СОПОТ» провела коренную модернизацию технологии пенного пожаротушения, создав для ее реализации целый комплекс установок под торговой маркой «УКТП «Пурга». Установки прошли серию межведомственных, сертификационных испытаний, в том числе сравнительных испытаний с системами, использующими пенообразователи типа AFFF. Результаты сравнительных испытаний показали [Рис. 2], что концепция одновременной подачи пен низкой и средней кратности позволяет иметь самую высокую скорость тушения пожара и минимальное время тушения при кратностях полученных пен от 20 до 40. Причем, такая зависимость наблюдалась при использовании практически всего типоряда углеводородных синтетических отечественных и экологически чистых пенообразователей, к тому же недорогих.
2000-2020-ые годы характеризовались возникновением в разных странах катастрофических пожаров на объектах хранения нефтепродуктов. Например, 11 декабря 2005 года в Великобритании на нефтехранилище Bansfield, в марте 2009 года на НПЗ Carribean Petroleum в Пуэрто-Рико, 22 августа 2009 года на ЛДПС «Конда» в Ханты-Мансийском АО, 5 октября 2017 года на заводе «ЛУКОЙЛ» в г. Кстово Нижегородской области, 17 ноября 2018 г. на Московском НПЗ в Капотне и др. [Рис. 3].
Установлено, что несмотря на то, что при тушении пожаров применялась пена низкой кратности на основе пленкообразующих фторсодержащих пенообразователей типа AFFF, ни один пожар не был потушен за нормативное время. Более того, объективный анализ огнетушащей эффективности AFFF показал на несоответствие реальных фактов прорекламированным параметрам пленкообразующего пенообразователя. Более глубокие исследования Комитета по экологии ООН показали, что данный пенообразователь, ко всему прочему, обладает повышенной токсичностью по сравнению со всеми действующими огнетушащими веществами в мире. Его производство, хранение и использование наносит вред не только природе, но и здоровью людей, что делает невозможным дальнейшее использование этого вещества для целей пожаротушения. В результате настоятельных требований комитета ООН по экологии производство AFFF было прекращено. Таким образом, перед многими странами мира возникла новая проблема строгой замены данного типа пенообразователя.
В 2019-2021 годах группа LASTFIRE (Великобритания), представляющая из себя консорциум международных нефтяных компаний, таких как BP International, Neste Oil, Petronas, Qatar Energy, Shell Global Solutions и др., занимаясь проблемой обеспечения пожарной безопасности резервуаров для хранения нефтепродуктов, начала проводить работу по поиску альтернативных AFFF пенообразователей, не содержащих фтор.
ООО НПО «СОПОТ» было приглашено в состав группы LASTFIRE, под наблюдением которой провела натурные огневые испытания по тушению нефтепродуктов на полигоне НПЗ «Киришинефтеоргсинтез» в 2019 году (г. Кириши, Ленинградская область), а также приняло участие в сравнительных огневых испытаниях в 2021 году в г. Верноне (Франция). Специалисты LASTFIRE пришли к выводу, что оборудование для подачи «гибридной пены» производства ООО НПО «СОПОТ» является эффективным вариантом для применения пен нового поколения, не содержащих фтор.
Как выяснилось в результате многолетних испытаний установок комбинированного тушения пожаров УКТП «Пурга», данная технология обеспечивает высокую скорость тушения нефтепродуктов с использованием как ручных стволов, так и лафетных стволов с производительностью от 100 до 250 л/с с дальностью подачи пены до 100-120 метров [Рис. 4, 5].
В 2004-2015 гг. ООО НПО «СОПОТ» провело серию теоретических и экспериментальных исследований по созданию технологии тушения пожаров СУГ и СПГ [Рис. 6, 7].
Физическая сущность этой технологии 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 удаётся создать на её поверхности стабильный пенозащитный слой [Рис. 6].
Рисунок 6. Схема технологии взрывопожаропредупреждения СПГ и СУГ при аварийном разливе:
1 – слой пролитой криогенной жидкости tкип ≈ -162°C;
2 – ледяная подложка h’сл ≈ 1–2 мм;
3 – слой «сухой» замороженной пены h»сл ≈ 2–5 см;
4 – слой охлажденной (мокрой) водовоздушной газонаполненной пены h»’сл ≈ 25–30 см;
5 – замороженный слой поверхности контакта с СПГ и СУГ
Пенозащитный слой состоит следующих слоев:
- тонкая (порядка 1–2 мм) ледяная подложка;
- сухая замороженная твёрдая пена (толщиной 1–5 см);
- охлажденная устойчивая воздушно-газонаполненная пена с практически неограниченной стойкостью (более одних-двух суток).
Этот пенный слой снижает до минимума теплоприток извне и препятствует проникновению паров горючего в надпенное пространство. При создании такого слоя 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 % объемных 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:
1) скорость нарастания толщины пенного слоя больше скорости потока паров горючего вверх Vпенн.сл >Vпот.п.г.г (мм/с);
2) обеспечена требуемая толщина слоя пены – более 25–30 см;
3) струйки горючего газа не прорываются локально, сквозь отдельные «свищи» и разрывы в пенном слое [Рис. 7].
Рисунок 7. Принципиальная схема процесса тушения пожаров разлитых СПГ и СУГ с помощью применения гибридной пеной («замороженная пена»):
1 – граница раздела СПГ и СУГ с поверхностью разлива;
2 – жидкая фаза метана tж= -162 °С (const);
3 – «пар» CH4 t = -162 °С (const), ρ = 1,86 г/м3, ρ = 1,5ρвозд;
4 – пористый лед, образующийся при контакте комбинированной пены с СПГ и СУГ h’сл ≈ 1–2 мм;
5 – замороженный слой «сухой» пены h»сл ≈ 2–5 см;
6 – потоки пара/газа CH4;
7 – незамерзший слой пены («мокрая» пена);
8 – струи CH4 (пар/газ);
9 – метано-вощдушная (газо-воздушная) смесь fCH4 ≈ 5–25 %, tCH4 ≈ 2–5°C, ρCH4 = 0,714 кг/м3, ρCH4 = 0,57ρвозд
Положительные результаты данных исследований показали возможность эффективного взрывопожаропредотвращения на объектах хранения, переработки и транспортировки СУГ и СПГ с помощью запатентованной технологии «замороженная пена» и установок подачи «гибридной пены». О результатах исследований многократно доложено на различного рода служебных совещаниях во ВНИИПО МЧС РФ, ГУПО МЧС РФ, а также на конференциях по пожарной безопасности, опубликовано более 50 статей, отчетов, получено около 40 патентов на изобретения в РФ.