Введение
В связи с усложнением технологических процессов и ростом объемов производства увеличиваются объемы использования и перевозки легковоспламеняющихся горючих жидкостей и газов, в том числе сжиженных углеводородов. Как следствие, большую актуальность приобретает проблема обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса (НГК) и тоннельных сооружений как части логистических маршрутов по перевозке легковоспламеняющихся и горючих жидкостей. Для защиты металлических конструкций от воздействия низких и высоких температур используют различные системы огнезащитных покрытий [1,2].
Обеспечение высоких пределов огнестойкости, необходимых для наиболее ответственных строительных конструкций объектов нефтегазовой промышленности, тоннельных сооружений, сливоналивных эстакад, возможно при использовании вспучивающих огнезащитных составов (рис. 1).
Рис. 1. Сооружения Ванкорского нефтегазового месторождения (а) и Саратовского нефтеперерабатывающего завода (б), основные конструкции которых обработаны композицией из линейки ПЛАМКОР в целях повышения их огнестойкости.
Исследования эффективности, оценка и обоснование требуемого расхода применяемых огнезащитных материалов должны проводиться c учетом особенностей исполнения системы огнезащиты и предполагают решение целого комплекса задач, включающих определение основных характеристик материалов, проектные расчеты, подтверждение работоспособности путем стандартизированных огневых экспериментов и испытаний, направленных на подтверждение возможности эксплуатации в различных климатических условиях и при воздействии вероятных криогенных проливов [1– 3].
В России требования к конструкциям в условиях криогенного пролива и при устойчивости к другим режимам пожара, кроме стандартного, не регламентируются и относятся к условиям, назначаемым проектной организацией и заказчиком. Например, в комплекс стандартов ПАО «Газпром» «Система обеспечения пожарной безопасности» входит ряд документов по средствам огнезащиты, в которых авторами установлены значения показателей огнестойкости конструкций с учетом углеводородного режима горения, в том числе после криогенного воздействия, а также обозначена необходимость предоставления данных о теплофизических характеристиках используемых средств огнезащиты [4].
В США одним из основополагающих стандартов нефтегазовой промышленности является API RP 2218—2013, в котором приводятся основные требования по пределам огнестойкости конструкций НГК при различных режимах пожара, в том числе и при струйном (Jet-Fire-режим (JF). Данный режим представляет собой турбулентное диффузионное пламя, возникающее в результате сгорания устойчивого выброса топлива под давлением, со значительно более высокой скоростью горения из-за турбулентности смешивания топлива с воздухом.
По сравнению с пожарами пролива и огненными шарами струйные пожары относятся к наименее серьезным с точки зрения прямых последствий, но очень важны с позиции оценки риска потенциальной эскалации инцидента в результате воздействия или охвата таким пожаром окружающих сосудов, трубопроводов или других компонентов [5–10]. Графики углеводородного, струйного и стандартного режимов пожара показаны на рис. 2 (здесь 1 — струйный режим пожара; 2 — углеводородный режим пожара; 3 — стандартный пожар).
Рис. 2. Графики режимов пожара:
а — зависимость температуры среды t от времени огневого воздействия T; б — зависимость теплового потока среды Q от времени огневого воздействия T
Испытание на струйное горение проводится в соответствии с ISO 22899-1:2021 и должно обеспечивать расход пропанового топлива 0,3 ± 0,05 кг/с. Данный режим испытаний необходимо применять только в наиболее опасных местах потенциальной утечки горючего вещества, определенных путем анализа пожарного риска [11–13].
Необходимость разработки методик испытаний касательно воздействия струйного горения на конструкции обусловлена тем, что в стандарте ISO 22899-1:2021 прямо не регламентируются продолжительность испытаний и критическая температура. Критическую температуру устанавливает заказчик в зависимости от материала защищаемой конструкции и требований различных нормативных, в том числе отраслевых, документов, а значит провести сравнительный анализ испытываемых огнезащитных систем не представляется возможным. На сайтах производителей средств огнезащиты, сертифицированных на ISO 22899- 1:2021 (это, как правило, зарубежные производители), критическая температура, расход материала и продолжительность испытания не указываются. Декларируется только сам факт проведения испытаний на воздействие струйного горения.
Например, критическая температура составляет 400 °C для морских платформ [14], 538 °C согласно UL 1709—2017, 550 °C согласно GB 14907—2018, 500 °C согласно ГОСТ Р 53295—2009.
Время испытаний также различно и приводится в рекламных описаниях покрытий: 0,5– 3,0 ч. Толщина огнезащитных покрытий, сертифицированных на JF, таких как CharCoat JF, составляет 3-40 мм в зависимости от требований при проектировании [15]; покрытий Chartek 7, Chartek — 8– 6 мм при огнестойкости 41 и 15 мин соответственно [16], покрытия Jotachar JR — 2–35 мм [17]. Согласно [18] Chartek 1709 обеспечивает не только углеводородное, но и струйное горение. Для углеводородного горения огнестойкость 60 мин обеспечивается при толщине покрытия 5,12 мм без сетки. А далее с сеткой обеспечивается огнестойкость: 1,5 ч при толщине покрытия 7,85 мм; 2 ч — при 10,57 мм; 3 ч — при 15,21 мм; 3,5 ч — при 15,21 мм; 4 ч — при 18,99 мм. С учетом того, что кривая струйного горения располагается на графике значительно выше (см. рис. 2), можно прогнозировать увеличение расхода покрытия на 15–20 %.
Требования нормативных документов разных стран и отраслевых стандартов крупнейших компаний НГК [9] предписывают, чтобы стальные конструкции оборудования, технологических установок и эстакад, где обращается и хранится сжиженный природный газ, также были стойкими к криогенному воздействию, т.е. к воздействию газов, сжатых до жидкого состояния и хранящихся при сверхнизких (криогенных) температурах (ниже – 150 °C).
Ожидается широкий интерес проектировщиков к результатам испытаний средств огнезащиты на криогенное воздействие и струйное горение для выявления конкурентных преимуществ последних на объектах НГК. Многие производители огнезащиты разрабатывают собственные методики проведения испытаний, в которых регламентируются испытания огнезащитного покрытия на локальный пролив криогенных продуктов, а также на воздействие струйного горения после криогенного розлива [11].
В статье рассматриваются воздействия криогенных сред и струйного горения на эпоксидную огнезащиту ПЛАМКОР-5 (производитель Научно-производственный холдинг ВМП, г. Екатеринбург, Россия) [19] для стальных конструкций по методикам, гармонизированным с международными стандартами. Цель работы — получение и анализ результатов экспериментального исследования ПЛАМКОР-5 при указанных воздействиях.
Материалы и методы
Огнезащитная вспучивающаяся композиция ПЛАМКОР-5 [19] является двухкомпонентной системой, состоящей из основы и отвердителя. Основа представляет собой суспензию газообразующих и пенообразующих наполнителей, пигментов и функциональных добавок в растворе эпоксидной смолы и смеси органических растворителей (отвердитель — алифатическая полиаминная смола). Она предназначена для огнезащиты, в частности, от углеводородного пожара, и защиты от коррозии металлических конструкций, эксплуатируемых в условиях умеренного, холодного и умеренно-холодного макроклиматических районов всех типов атмосферы и категорий размещения (по ГОСТ 15150—69, в том числе в открытой промышленной атмосфере.
Эксперимент № 1. Для обеспечения защиты от криогенного воздействия пролива исследовалась огнезащитная композиция ПЛАМКОР-5, нанесенная на образец квадратной формы из углеродистой стали толщиной 10 мм и внутренними размерами 1500x1500x500 мм с центральной полкой, выполненной из углеродистой стали толщиной 20 мм с фактической толщиной сухого слоя 22,37 мм.
Эксперимент № 2. Для обеспечения защиты от криогенного воздействия пролива под давлением исследовалась огнезащитная композиция ПЛАМКОР-5 с фактической толщиной сухого слоя 23,78 мм, нанесенная на фрагмент стальной колонны двутаврового сечения 25К2 (по ГОСТ Р 57837—2017 высотой 2500 мм и с приведенной толщиной металла 6,3 мм.
Эксперимент № 3. Для обеспечения защиты от струйного горения исследованию подверглась огнезащитная композиция ПЛАМКОР-5, нанесенная на образец квадратной формы из углеродистой стали толщиной 10 мм и внутренними размерами 1500x1500x500 мм с центральной полкой, выполненной из углеродистой стали толщиной 20 мм, глубиной 250 мм и с фактической толщиной сухого слоя 10,89 мм.
Рис. 3. Схема испытательного стенда и держателя образца:
а — испытательный стенд; б — схема размещения термопар
Методы испытаний для различного характера криогенных выбросов (пролив и воздействие под давлением) жидких углеводородов представлены в серии стандартов по криогенному воздействию [18], где в качестве аналога жидкого углеводорода используется жидкий азот, поскольку он имеет более низкую температуру кипения, чем СПГ или жидкий кислород, и не воспламеняется. Испытание проводилось на испытательном учебно-тренировочном полигоне ФГБУ ВНИИПО МЧС России согласно программе и методике испытаний «Определение стойкости огнезащитного покрытия к воздействию пролива криогенной жидкости» от 20.01.2023 № 20.01.23-3-43-ПМИ, разработанным на основании стандарта ISO 20088-1:2016.
Рис. 4. Общий вид образца плит до (а) и после (б) криогенного воздействия
Испытание при криогенном воздействии пролива. Сущность метода заключается в определении достижения предельных значений температуры –49 °С по средним значениям показаний датчиков температуры или времени воздействия, равному 60 мин, при воздействии на образец пролива 250 л жидкого азота. Схема испытательного стенда представлена на рис. 3, а (здесь 1 — резервуар для сброса криогенной жидкости; 2 — держатель образца; 3 — опора держателя образца).
На образец нанесены: грунтовка ЦИНЭП толщиной сухого слоя 80 мкм; огнезащитная композиция ПЛАМКОР-5 толщиной сухого слоя 26 мм; акрилуретановая эмаль ПОЛИТОН УР (УФ), состоящая из основы и алифатического полиизоцианатного отвердителя толщиной сухого слоя 60 мкм; углеродная сетка с размером ячейки 20x20 мм.
Перед испытанием на образце установили термоэлектрические преобразователи (ТЭП) для контроля уровня жидкости, а также кабельные ТЭП типа хромель-алюмелевая термопара (КТХА) для измерения температуры. Схема размещения ТЭП представлена на рис. 3, б (здесь 1 — вид тыльной поверхности; 2 — держатель образца; 3 — расположение термопар). Начало испытания соответствовало моменту розлива на образец 250 литров криогенной жидкости из резервуара подачи. В начале испытания происходит быстрый выпуск жидкого азота на образец исследуемого материала с высоты 1000 мм в течение 90 с.
В процессе испытания уровень жидкого азота поддерживался на отметке не ниже 5 см от основания образца. Образец до и после испытания представлен на рис. 4.
Рис. 5. Схема установки испытания при криогенном воздействии (а) и размещения ТЭП (б)
Испытание при криогенном воздействии пролива под давлением. Сущность метода заключается в определении достижения предельных значений температуры –49 °С по средним значениям показаний датчиков температуры или времени воздействия, равному 60 мин, при воздействии на образец струи жидкого азота под постоянным давлением. Схема испытательного стенда представлена на рис. 5, а (1 — экологическая камера; 2 — ствол для подачи жидкого азота; 3 — испытуемый образец; 4 — опоры для образца (рециркуляционной и защитной камер); 5 — камера рециркуляции (изолированная на задней поверхности); 6 — защитная камера (опора и устойчивость).
На образец нанесены: грунтовка цинкнаполненная эпоксидная толщиной сухого слоя 80 мкм; огнезащитная эпоксидная композиция ПЛАМКОР-5 толщиной сухого слоя 26 мм; акрилуретановая эмаль толщиной сухого слоя 60 мкм; углеродная сетка с размером ячейки 20x20 мм.
Перед испытанием на образце установили ТЭП для контроля уровня жидкости, а также кабельные ТЭП типа КТХА для измерения температуры. Схема размещения ТЭП представлена на рис. 5, б (здесь 1, 2 — то же, что на рис. 5, а).
Начало испытания соответствовало моменту подачи струи жидкого азота под давлением в заданную точку испытуемого образца с расстояния 500x10 мм. Струя наводилась после выхода установки на заданный режим: температура жидкого азота менее –170 °С, давление подачи 8x0,8 бар. Испытание длилось 60 мин. Образец до и после испытания представлен на рис. 6.
Рис. 6. Общий вид образца плит до (а) и после (б) криогенного воздействия
Испытание при струйном горении JF. В ISO 22899-1:2021 описывается метод определения стойкости к струйному пожару пассивных огнезащитных материалов. В нем также указано, что отдельные тепловые и механические нагрузки, воздействующие на материал при струйном пожаре, определенном в этом документе, аналогичны нагрузкам, возникающим при крупномасштабных струйных пожарах, вызванных выбросами природного газа под высоким давлением.
Сущность метода оценки защитных свойств исследуемого материала заключается в определении достижения испытуемым образцом предельного значения времени (60 мин) и (или) температуры (500 °С) при воздействии на него струйного горения (реактивного пламени) пропана. Температуру образца определяют по средним показаниям датчиков температуры, смонтированных на образце. Схема испытательного стенда представлена на рис. 7 (здесь 1 — образец; 2 — ствол с соплом для подачи газообразного пропана; 3 — опоры для образца).
На образец нанесен состав: грунтовка цинкнаполненная эпоксидная толщиной сухого слоя 80 мкм; огнезащитная эпоксидная композиция ПЛАМКОР-5 с толщиной сухого слоя 10,89 мм; акрилуретановая эмаль, состоящая из основы и алифатического полиизоцианатного отвердителя толщиной сухого слоя 60 мкм; углеродная сетка однослойная с размером ячейки 20x20 мм.
В ходе эксперимента фиксировалось достижение образцом предельных показателей (температура образца и время проведения испытания). Схема установки датчиков температуры (согласно ISO 22899-1:2021) приведена на рис. 7.
Точкой отсчета времени эксперимента стал момент наведения струи горящего пропана (см. рис. 7) в заданную точку образца при постоянном расходе 0,3±0,05 кг/c. На рис. 8 приведены фото образца до и после испытаний.
Рис. 7. Схема испытательной установки с соплом для подачи пропана
Результаты
Эксперимент № 1. Криогенное воздействие пролива. По окончании испытания жидкий азот слили, а затем в течение 15 мин проводилась инспекция образца. По всей площади образца наблюдался иней от воздействия жидкого азота, но без изменения цвета, усадок и отслоений. Зафиксированы хаотичнее растрескивания покрытия по всей площади испытуемого образца, преимущественно в местах стыка стенок с основанием, а также центральной полки с глубиной 1,18–3,7 мм. Средняя температура образца после испытания составила 32,09 °С. График зависимости температуры (по показаниям датчиков) от времени показан на рис. 9 (здесь 1 — испытание при струйном горении (испытание 3); 2 — испытание при криогенном воздействии пролива под давлением (испытание 2); 3 — испытание при криогенном воздействии пролива (испытание 1); 4 — критическая температура –49 °С).
Рис. 8. Вид образца до (а) и после (б) испытания
Эксперимент № 2. Криогенное воздействие пролива под давлением. В результате внешнего осмотра объекта по завершении испытания установлено, что по всей площади образца образовался иней. После его удаления изменений состава визуально не зафиксировано, кроме появления хаотичных растрескиваний в местах сопряжения полки со стенкой по всей длине образца. Средняя температура образца по окончании испытания приблизилась к предельной и составила –48,38 °С. График зависимости температуры (по показаниям датчиков) от времени для испытания 2 показан на рис. 9.
Эксперимент № 3. Испытание при струйном горении JF. Средняя температура образца по окончании испытания не достигла предельных значений и составила 184,84 °С. Показания термопар по шести датчикам выводились на дисплей, они усреднены и представлены на рис. 9. В результате визуального осмотра установлено, что наблюдались очаги горения под центральной полкой и в верхней части образца. По всей площади наблюдалось потемнение состава и трещины глубиной 9,91–26,37 мм. Покрытие на образце вспучилось по всей площади, при этом пенококс прочно прикреплен к образцу, армирующая сетка не повреждена. В зоне воздействия струи наблюдается уменьшение толщины защитного слоя. В верхней части образца, на «юбке», наблюдаются оплавление и потек состава покрытия (см. рис. 8). Показания датчиков температуры во время испытания отображены на рис. 9.
Рис. 9. График средней температуры образцов во время испытаний
Заключение
Струйное горение является чрезвычайно турбулентным и разрушительным, поэтому при составлении спецификаций материалов по защите от струйного горения требуется особое внимание к учету всех параметров испытания. Стандарт ISO 22899-1:2021 дает возможность оценить стойкость эпоксидной пассивной защиты от реактивной струи при различных критических температурах. В протоколах испытаний обязательно должна быть указана критическая температура для средней части испытательного образца, чтобы было понятно — при каких условиях определялась толщина материала.
Согласно методике, разработанной ФГБУ ВНИИПО МЧС России Оренбургский филиал, критической принято считать температуру 500 °С на необогреваемой поверхности при длительности испытания не менее 60 мин.
Средняя температура на необогреваемой стороне стальной конструкции, на которую была нанесена огнезащитная композиция ПЛАМКОР-5 с фактической толщиной сухого слоя 10,89 мм, в режиме воздействия горящего газообразного пропана составила 184,84 °С на 60-й мин испытания, что в 2,7 раза ниже предельного значения.
Установлено, что огнезащитная вспучивающаяся композиция ПЛАМКОР-5 сохраняет устойчивость при криогенном воздействии пролива жидкого азота, в том числе под давлением, а также служит эффективным барьером для сопротивления струйному углеводородному горению. Полученные в ходе экспериментов результаты соответствуют требованиям стандартов, принятым в мире для оценки специальных покрытий подобного назначения. По окончании испытания опытными образцами не превышены предельные значения температур. Все это позволяет обоснованно утверждать, что эксплуатационные характеристики огнезащитного материала ПЛАМКОР-5 соответствуют современному уровню качества инновационных огнезащитных композиций. Исследования эпоксидных интумесцентных покрытий при воздействии криогенных сред и струйного горения будут продолжены по мере внедрения новых ингредиентов в их составы и оптимизации рецептур.
Список литературы
1. Hurley M.J. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Springer Link, 2016. DOI: 10.1007/978 1 4939 2565 0
2. Nolan D.P. Handbook of Fire and Explosion Protection Engineering Principles for Oil, Gas, Chemical, and Related Facilities. Elsevier, 2018. 522 p.
3. An Overview of the Nature of Hydrocarbon Jet Fire Hazards in the Oil and Gas Industry and a Simplified Approach to Assessing the Hazards/ B.J. Lowesmith, G. Hankinson, M.R. Acton, G. Chamberlain// Process Safety and Environmental Protection. 2007. Vol. 85. Iss. 3. P. 207–220. DOI: 10.1205/psep06038
4. Тюленев Ю.Е., Гравит М.В., Шабунина Д.Е. Огнезащита стальных конструкций эпоксидными составами как эффективный инструмент обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса// Газовая промышленность. 2023. № 8. С. 100–107.
5. Jet Fires Involving Releases of Crude Oil, Gas and Water/ G. Hankinson, B.J. Lowesmith, J.A. Evans, L.C. Shirvill// Process Safety and Environmental Protection. 2007. Vol. 85. Iss. 3. P. 221–229. DOI: 10.1205/psep06062
6. Experimental study on propane jet fire hazards: Assessment of the main geometrical features of horizontal jet flames/ D.M. Laboureur, N. Gopalaswami, B. Zhang et al.// Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016. Vol. 41. P. 355–364. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.02.013
7. Mitigation of Risks Associated with Gas Pipeline Failure by Using Quantitative Risk Management Approach: a Descriptive Study on Gas Industry/ A.H. Abdoul Nasser, P.D. Ndalila, E.A. Mawugbe et al.// Journal of Marine Science Engineering. 2021. № 9 (10). DOI: 10.3390/jmse9101098
8. Bradley I., Willoughby D., Royle M. A review of the applicability of the jet fire resistance test of passive fire protection materials to a range of release scenarios// Process Safety and Environmental Protection. 2019. Vol. 122. P. 185–191. DOI: 10.1016/j.psep.2018.12.004
9. Increase of Fire Resistance Limits of Building Structures of Oil-and-Gas Complex Under Hydrocarbon Fire/ M. Gravit, E. Gumerova, A. Bardin, V. Lukinov// International Scientific Conference Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport EMMFT 2017. Springer Link, 2017. Vol. 692. P. 818–829.
10. Optimization of Cryogenic Spill Protection Insulation Thickness/ Y. Hiroya, M. Tanabe, S. Kataoka et al.// Chemical Engineering Transactions. 2016. Vol. 48. P. 643–648.
11. Gravit M., Klementev B., Shabunina D. Fire Protection of Steel Structures with Epoxy Coatings under Cryogenic Exposure// Buildings. 2021. № 11. P. 537. DOI: 10.3390/buildings11110537
12. Jimenez M., Duquesne S., Bourbigot S. High-Throughput Fire Testing for Intumescent Coatings// Industrial & Engineering Chemistry Research. 2006. № 45 (22). P. 7475–7481.
13. Jet fires and cryogenic spills: How to document extreme industrial incidents/ R.F. Mikalsen, K. Glansberg, E.D. Wormdahl, R. Stolen// Proceedings of the Sixth Magdeburg Fire and Explosion Days (MBE 2019) conference proceedings. Magdeburg: Otto-von-Guericke University, 2019. P. 1–6.
14. Effects and Mechanisms of Ultralow Concentrations of Different Types of Graphene Oxide Flakes on Fire Resistance of Water-Based Intumescent Coatings/ Q. Zhang, Q. Wang, Y. Li et al.// Coatings. 2024. № 14 (2). P. 162. DOI: 10.3390/coatings14020162
15. Сharcoat. Jet Fire Coating. URL: https://www.charcoat.com/jet-fire-coating (дата обращения: 14.03.2024).
16. Pat. PCTEP2013065775 European. High heat resistant composition DEOGON/ M.S. Deogon, M. Singh; Published 06.02.2014, International Publication Number WO 2014/019947 Al.
17. Industrial Coatings Ltd. Jotun Jotachar JF750. URL: https://industrialcoatingsltd.com/products/jotun-jotachar-jf750 (дата обращения: 14.03.2024).
18. International Chartek 1709. Passive Fire Protection-Epoxy intumescent. URL: https://www.international-pc.com/en/products/chartek-1709?page=1#tds/ (дата обращения: 14.03.2024).
19. Атмосферостойкая органоразбавляемая эпоксидная композиция ПЛАМКОР-5. URL: https://vmp-plamcor.ru/plamkor/plamkor-5/ (дата обращения: 14.03.2024).
