Защита производственных коммуникаций

От распространения пожара

Для предотвращения распространения пламени из аварийного оборудования в смежные с ним, а также проскока пламени через сбросные и дыхательные клапаны в емкости с горючими веществами необходимо предусматривать устройства огнепреграждения. К таким устройствам относятся различного рода огнепреградители (сухие и жидкостные), затворы из твердых сыпучих материалов, быстродействующие пламеотсекатели, огнепреграждающие задвижки (заслонки, шиберы).

Сухие огнепреградители. Определение критического

Диаметра канала

Сухими огнепреградителями защищают газовые и паровоздушные линии, в которых по условиям технологии или при нарушении нормального режима работы могут образоваться горючие концентрации.

Действие сухих огнепреградителей основано на гашении пламени в узких каналах, через которые свободно проходит горючая смесь, а пламя, разделенное на множество потоков, распространяться не может.

Согласно теории пределов распространения пламени, гашение его в узких каналах обусловлено тепловыми потерями из зоны реакции к стенкам канала. Если передача тепла из фронта пламени в исходную смесь является основным процессом, способствующим распространению пламени по холодной смеси, то передача тепла из зоны реакции к стенкам канала и отвод тепла в охлаждающиеся продукты сгорания являются процессами, тормозящими распространение пламени. В узких каналах потери тепла вызывают понижение температуры горения в зоне реакции, растяжение этой зоны, увеличение времени протекания реакции и уменьшение скорости распространения пламени. При уменьшении диаметра канала увеличивается его поверхность на единицу массы реагирующей смеси, т. е. возрастают потери тепла из зоны реакции на единицу массы смеси. Когда эти потери достигают некоторой критической величины, скорость реакции в пламени настолько уменьшается, что дальнейшее его распространение становится невозможным. Именно такие условия и создаются в сухих огнепреградителях.

Диаметр корпуса огнепреградителя для уменьшения гидравлического сопротивления имеет увеличенный размер по сравнению с диаметром защищаемого трубопровода. Для надежного соединения корпуса огнепреградителя с трубопроводом по обеим его сторонам расположены фланцы, диаметр которых соответствует диаметру защищаемого трубопровода.

По устройству огнепреградители разделяются на ленточные, пластинчатые, сетчатые, с насадкой из гранулированного материала, с насадкой из пористого материала, из металлокерамики и металловолокна.

По условиям локализации пламени огнепреградители можно разделить на взрывостойкие, огнестойкие, стойкие к разгрузке давления и нагретых продуктов сгорания, детонационностойкие.

По месту установки на оборудовании различают сбросные огнепреградители (на трубах для выброса горючих газов в атмосферу или на факел); коммуникационные огнепреградители (на межаппаратурных и межцеховых коммуникациях) и огнепреградители, устанавливаемые перед горелками.

На рис. 8.6 показаны схемы огнепреградителей с различными типами огнепреграждающих насадок.

В сетчатых огнепреградителях используют медные, латунные и стальные фильтровальные сетки. Для надежного гашения пламени применяют не одну, а несколько сеток, последовательно установленных на расстоянии примерно 10 мм друг от друга.

а б в г

Рис. 8.6. Схемы основных видов огнепреградителей:

а – с горизонтальными сетками; б – с вертикальными сетками; в – с гравием

(шариками, кольцами); г – со спирально свернутыми вместе гофрированной

и плоской лентами; 1 – корпус; 2 – пламегасящая насадка; 3 – решетка;

4 – опорные кольца

Насадки из гранулированных тел (шариков, колец, гравия и т. п.) или волокон (стеклянной ваты, асбестовых волокон и т. п.) образуют каналы криволинейной формы.

Для защиты дыхательных труб резервуаров с ЛВЖ используют кассетные огнепреградители. Кассета изготовляется путем одновременного свивания гладкой и гофрированной лент, благодаря чему образуются каналы треугольной формы.

Для горючих смесей, имеющих большую скорость горения (например, для смесей ацетилена, этилена или водорода с воздухом), а также для
смесей горючих веществ с кислородом применяют насадки из стеклянных или фарфоровых шариков диаметром не более 1 мм, а также из металлокерамических пластин или трубок.

Гашение пламени в узких каналах, как уже отмечалось, имеет тепловую природу. Пламя теряет способность распространяться, когда температура газа в области фронта пламени понижается ниже некоторой критической величины. Отвод тепла от газа в узком канале обеспечивается теплопроводностью газа. Выделение же тепла во фронте пламени определяется скоростью и кинетикой химической реакции горения. Интегральной характеристикой процесса горения является нормальная скорость распространения фронта пламени. В качестве универсальной безразмерной характеристики соотношения динамики этих двух процессов – процессов выделения и отвода тепла – принято использовать критерий Пекле:

, (8.8)

где u – нормальная скорость распространения пламени; d – диаметр канала огнепреграждающего элемента; с_p – теплоемкость горючей смеси при постоянном давлении; р – давление горючей смеси; R – универсальная газовая постоянная; Т –начальная температура горючей смеси; λ – теплопроводность горючей смеси.

Многочисленными экспериментами установлено, что на пределе гашения пламени в узких каналах критерий Пекле принимает постоянное значение, приблизительно равное 65. Если условия в пламегасящих каналах огнепреградителя характеризуются критерием Пекле Ре 65, то огнепреградитель неэффективен, и наоборот, если Ре< 65, то огнепреградитель сработает удовлетворительно, т. е. не пропустит пламя.

Условие постоянства критерия Пекле, составленного из нормальной скорости пламени и теплофизических параметров горючей смеси (а не продуктов сгорания, например) на пределе гашения пламени в узких каналах, теоретически получено, исходя из ряда допущений и упрощений, поэтому оно в принципе является приближенным. Экспериментальная проверка этого принципа тоже дает весьма существенный разброс количественных результатов. Поэтому, используя это условие в качестве научной основы методики расчета эффективности сухих огнепреградителей, в расчетные формулы вводят коэффициент запаса, равный 2, т. е. безопасное значение критерия Пекле принимается равным 32,5.

Фактический диаметр канала огнепреграждающего элемента для сбросных огнепреградителей определяется выражением

d ≤ 32,5 RTλ / uс_p р. (8.9)

Пламегасящую способность огнепреградителя следует рассчитывать по каналу максимальных поперечных размеров, поскольку пламя в первую очередь пройдет именно по этому каналу. Если пламегасящим элементом служит кассета из плоской и гофрированной лент, то задиаметр канала следует принимать высоту, опущенную из вершины треугольного гофра на плоскую ленту. Диаметр канала в насадке из одинаковых шариков можно принимать в зависимости от диаметра шариков следующим образом (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Диаметр шарика, мм	Диаметр канала, мм	Диаметр шарика, мм	Диаметр канала, мм
	1,0 2,0 2,5 3,0 3,6		4,0 5,0 6,3 10,0

Для огнепреградителей с насадками из гранулированных материалов и беспорядочно засыпанных колец Рашига необходимо принимать меры, исключающие вредное влияние так называемого «краевого эффекта»: вследствие хаотического размещения гранул вблизи стенок корпуса возможно образование каналов больше среднего размера, особенно если размер гранул соизмерим с поперечным размером корпуса. Вероятность проскока пламени через насадку вследствие «краевого эффекта» снижается с уменьшением отношения размера гранул или диаметра канала к поперечному размеру корпуса и к высоте слоя насадки. В связи с этим рекомендуется, чтобы поперечный размер корпуса огнепреградителя превышал размер одной гранулы не менее чем в 20 раз, а высота слоя насадки превышала диаметр ее канала не менее чем в 100 раз.

Условие постоянства критерия Пекле на пределе гашения пламени в узких каналах лежит в основе не только эффективности локализации движущегося фронта пламени, но и огнестойкости огнепреградителя, т. е. его способности противостоять длительному воздействию стационарного пламени на насадке. Считается, что огнепреградитель «прогорает» не в результате прогрева насадки с противоположной стороны до температуры воспламенения горючей смеси, а в результате изменения условий (в частности, температуры) в каналах пламегасящего элемента, и прохождение пламени по ним по-прежнему зависит от величины критерия Пекле.

Основная расчетная формула (8.8) относится только к сбросным, или так называемым резервуарным, огнепреградителям, работа которых не осложняется прохождением горячих продуктов сгорания через огнепреграждающий элемент, как это возможно в огнепреградителях, устанавливаемых на межаппаратурных и межцеховых коммуникациях. Для этих случаев
приведенная методика расчета непригодна, хотя установлено, что если пламя движется по трубопроводу со скоростью больше нормальной, то на пределе его гашения в коммуникационном огнепреградителе тоже выполняется условие постоянства критерия Пекле, только при его расчете необходимо пользоваться не нормальной скоростью пламени, а фактической.