Промышленная безопасность

8.7. ПОЖАРЫ РАЗЛИТИИ

В работе [Canvey,1981] пожар разлития определяется как "разлитие воспламеняющейся жидкости, горящее устойчивым диффузионным пламенем".*

Известно большое число работ, посвященных пожарам разлития. Обзор пожаров разлитии СПГ сделан в отчете [Raj',1977]. В работе [Mizner.1982] также выполнен обзор литературы, но уже включая пожары разлитии СНГ. В дополнение к этому есть обзор литературы, посвященной вопросам опасности излучения от крупных пожаров разлитии и огневых шаров [Moorhouse,1982]. Анализу коэффициентов пересчета, полученных на основе крупномасштабных экспериментов, посвящена работа [Moorhouse,1982a]. Вопросы, связанные с горением при исследованиях на Мэплинских отмелях, излагаются в статье [Blackmore,1982a]. В работе [Craven, 1976] анализируются обстоятельства появления разлитии, предполагаемая интенсивность теплового излучения и действие излучения на человека.

____________________________________________________________________________________

*Как хорошо известно, диффузионное горение в отличие от горения заранее перемешанных смесей возникает в том случае, когда окислитель и горючее пространственно разделены, и химическая реакция между ними происходит только после смешения в результате молекулярной или турбулентной диффузии [Зельдович, 1980]. Интенсивность горения в этом случае лимитируется скоростью подвода компонентов в зону горения; для случая пожара разлития - скоростями испарения и смешения паров с кислородом воздуха. - Прим. ред.

8.7.3. ПРИРОДА ПОЖАРОВ РАЗЛИТИИ

Пожар разлития может произойти в ряде ситуаций. Одна из пространственно ограниченных форм его проявления - это, вероятно, пожар в резервуаре хранения, например когда в результате либо внутреннего, либо внешнего взрыва резервуар остается без крыши. В резервуарах, сделанных из алюминия, стенки могут оплавиться до уровня жидкости, и, таким образом, резервуар будет становиться все более низким по мере того, как сгорает жидкость. Следующий по пространственному ограничению случай - это пожар разлития. В обеих ситуациях подразумеваются четко определенные граница и форма, последняя может быть круглой или прямоугольной.

В других ситуациях пожары разлитии происходят после того, как жидкость выбрасывается на поверхность земли; форма и глубина разлития определяются особенностями места разлития. На заводах и в аэропортах, хотя они занимают большие территории, выброшенная жидкость вероятнее всего будет устремляться в водостоки, где она может гореть под землей. Дренажные канавы вдоль автомобильных дорог обычно несут воды в близлежащее русло. Поэтому при выбросе на дороге потоки горючей жидкости могут переносить огонь на сотни метров. Наконец, происходят выбросы жидкостей непосредственно на поверхности водостоков, рек, озер или моря, где возможности для распространения фактически неограниченны. Ниже подробно рассматриваются две из этих ситуаций: пожар в обваловании и пожар на поверхности воды.

Пожары разлитии в круглых или прямоугольных обвалованиях по своей форме приближаются к цилиндру. При отсутствии ветра это будет вертикальный цилиндр, но в обычных обстоятельствах (при ветре) цилиндр будет наклонным.*

Примечательная черта пожаров разлитии - это "накрытие" или "растяжение пламени" с подветренной стороны. Это накрытие (рис. 8.4) в экспериментах, описанных в работе [Mizner,1982], составляло 25 - 50% диаметра обвалования (20 м). Таким образом, эффективный диаметр пожара разлития оказывается значительно большим, чем диаметр обвалования. Значение 50% подтверждается данными других исследований [Robertson,1976]. Отметим, что край пожара

________________________________________________________________________________________

Прямые крупномасштабные эксперименты, где исследовались горение резервуаров (объем хранилищ - до 50 тыс. м3) и пожары разлитии (на площадях до 10 тыс. м2) жидких углеводородных топлив, свидетельствуют о том, что пламя по своей форме скорее напоминает конус.- Прим. ред.

Рис. 8.4. Схематическое изображение пожара разлития.

разлития, находящийся с наветренной стороны, в этих экспериментах не фиксировался.

Масштаб теплового излучения обсуждается ниже. Здесь же отметим, что все пламена были в той или иной степени дымными. Пламена при горении СПГ менее задымлены, чем пламена СНГ, а последние, в свою очередь, менее задымлены, чем пламена от керосина.

Характер пожаров разлитии может изменяться во времени. Вероятно, можно выделить индукционный период, в течение которого скорость горения увеличивается по мере того, как возрастающая интенсивность теплового излучения повышает скорость испарения, и стационарный период, при котором достигается равновесие. При относительно химически чистом пожаре через некоторое время после достижения стационарного состояния происходит затухание пожара, так как топливо истощается. В тех случаях, когда разлитие образуется на наклонной поверхности, например в углублении в земле, его площадь уменьшается и интенсивность теплового излучения падает.

В тех случаях, когда воспламеняющееся вещество не однородно по своему химическому составу, интенсивность, возможно, будет падать, поскольку более летучие компоненты отделяются первыми, оставляя относительно нелетучий остаток. Такое может случиться при горении СПГ, содержащего в зависимости от происхождения 5 - 15% углеводородов с двумя и более атомами углерода. Пожары СПГ к концу также становятся более дымными, поскольку остаток все более и более обогащается высшими углеводородами.

Вероятно, самой крайней формой проявления пожара разлития является горение нефти, которая содержит углеводороды от СН4 до С25 и выше. В качестве примера здесь можно привести крупный пожар при разлитии 40 тыс. т нефти в ходе аварии 8 января 1979 г. в зал. Бантри (Ирландия). В результате пожара погибло 50 человек и был сильно поврежден пирс. Описание этой аварии полностью приводится в отчете [Whiddy Island,1980].

В Великобритании крупномасштабные исследования проводили две организации: Shell и British Gas. Эксперименты компании Shell выполнялись на Мэплинских отмелях (Эссекс). Характер этих исследований излагался ранее при рассмотрении моделей рассеяния газа. Вопросы горения, изучаемые при этих исследованиях, обсуждаются в работе [Blackmore,1982a]. Другие исследования компании Shell, проведенные внутри страны, проходили с обвалованием диаметром 20 м и высотой стенок 0,3 м. Обвалование сначала охлаждалось жидким азотом, а затем в него впускался СПГ или охлажденный СНГ [Miznei-,1982].

Исследования British Gas выполнялись на исследовательской станции Midlands Research Station (см. [Moorhouse,1982]). Работу проводили с разлитиями размером 12,2 ∙ 15,4 м и глубиной 0,5 м. Предусматривалась возможность дробления разлития и, таким образом, изучались разлития площадью от 37 до 186 м2. Перед впуском СПГ поддон охлаждали.

Программа исследований Американской газовой ассоциации (AGA), в которых предусматривался выпуск СПГ в земляные обвалования круглой формы с диаметрами около 2,6 м и 25 м без предварительного охлаждения, кратко изложена в работе [Moorhouse,1982]. Доклад об этих исследованиях приведен в [AGA.1973].

Исследования по зажиганию СПГ на поверхности воды выполнялись на оз. Чайна (США) [Little, 1979].

Некоторые данные об указанных выше исследованиях занесены в табл.8.5.

8.7.5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

8.7.5.1. ОБЛАСТИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Теоретический анализ основывается на изучении следующих факторов:

внешний вид, геометрия и скорость распространения пламени, скорость выгорания топлива, изменение состава топлива, поток излучения.

В этой области анализа исследуются такие внешние характеристики пламени, как светимость и задымленность. Так, например, пламя СПГ характеризуется как светящееся, но с задымленным верхом, а наличие сажи объясняется недостатком кислорода [Mizner.1982]. В работе [Moorhouse.1982] отмечается, что площадь пламени СПГ определить легче, чем площадь пламени СНГ, потому что в случае СПГ пламя относительно свободно от сажи. Вещества по возрастанию склонности к дымлению расположены в ряд [Mizner,1982]: метан, СНГ, керосин. В работе [Blackmore,1982a] отмечается, что пламя СНГ (при исследованиях на Мэплинских отмелях) было намного задымленное пламени метана. Ни один из исследователей не попытался теоретически установить взаимосвязь задымленности с таким фактором, как число атомов углерода в молекуле, или с молекулярной структурой.

исследовании пожаров разлитии

Дата сообщения. БДата проведения.

Наличие дыма существенно влияет на поток излучения, и корреляция между ними, по-видимому, отрицательная.

Практически все исследователи согласны с тем, что лучшее представление формы пламени - это наклонный цилиндр (см. примечание к разд. 8.7.3. - Ред.). Рассмотрено отношение высоты пламени к его основанию [Moorhouse,1982;

Moorhouse,1982a; Mizner,1982]. Авторы этих работ отмечают трудности, испытываемые при определении формы пламени, из-за наличия дыма. Отношение L/D (где L - высота пламени, измеряемая вдоль его оси, a D - диаметр разлития) в первом приближении считается лежащим в диапазоне 1,75 - 2,50. В работе [Moorhouse,1982a] в качестве достаточно приемлемого приближения предлагается уравнение вида

cosΘ = 0,75 ∙ (UD)-0.49 или cosΘ = 0,75 ∙ (1/UD)

где Θ - угол отклонения от вертикали, UD - безразмерная скорость ветра:

UDud = UW ∙ (m∙g∙D/Pv)-1/3

Здесь : m - массовая скорость выгорания, кг/(м2 ∙ с); Pv - плотность пара, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; D - диаметр разлития, м; Uw - скорость ветра, м/с. Вывод этого уравнения приписывается Атталаху и Раджу [AGA,1974].

Работ, посвященных теоретическому анализу явления растяжения пламени, отмечавшегося выше, в настоящее время очень мало.

В работе [Blackmore,1982a] отмечено, что при исследованиях на Мэплинских отмелях скорость пламени в облаках достигала 12 м/с. При определенных обстоятельствах наблюдалось увеличение скорости пламени до 28 м/с.

На скорость выгорания влияют следующие факторы: химический состав, размер разлития, скорость ветра. В работе [Moorhouse,1982a] делается вывод о том, что массовая скорость выгорания (кг/(м ∙ с)) сильно зависит от химического состава. Самая высокая массовая скорость выгорания - у СПГ и самая низкая - у керосина. Авторы отметили обратную корреляцию между массовой скоростью выгорания и температурой кипения. Скорость выгорания для небольших разлитии СПГ составляет 0,05 - 0,08 кг/(м2 ∙ с), тогда как скорость выгорания метилового спирта - около 0,02 кг/(м2 ∙ с). При крупных разлитиях иногда наблюдаются более высокие скорости выгорания.

СПГ, СНГ и большинство жидких топлив не являются чистыми веществами. Хотя их можно очистить или, иначе говоря, обработать для удаления тех веществ, которые не способствуют горению, есть небольшая особенность в получении чистых фракций углеводородов из веществ, предназначенных исключительно для горения.

Как уже отмечалось, СПГ может содержать значительные количества этана и высших углеводородов. В процессе испарения остаток становится все более богатым С2- и С3- углеводородами. В работе [Mizner.1982] представлены данные по пожарам разлитии СПГ, которые показывают, что содержание СН4 и C2Н6 в СПГ, первоначально составляющее 89 и 11% соответственно, через 6 мин горения становилось равным ≈50%.
8.7.5.7. ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ

Вопрос о потоке излучения настолько важен, что ниже ему будет посвящен целый раздел, где будет рассмотрено также и действие теплового излучения.

8.7.6. ОПАСНОСТЬ ПОЖАРОВ РАЗЛИТИИ

Размер пожаров разлитии, очевидно, может быть разнообразным: от небольших, диаметром меньше метра и глубиной несколько миллиметров, до очень крупных или даже групп пожаров разлитии. Если первые не следует классифицировать как особо опасные, то крупномасштабные пожары разлитии несут в себе большую опасность. Такие пожары рассматриваются в следующем разделе.