На правах рукописи

Сулейманов Фаиль Назмеевич РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ И ОГНЕЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2001 2

Работа выполнена в испытательном центре испытательной пожарной лаборатории Государственной противопожарной службы МВД Республики Башкортостан и в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Хафизов Ф.Ш.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, доцент Шарафиев Р.Г.

кандидат технических наук, полковник вн. службы Попков Г.А.

Ведущее предприятие - Башкирский научно-исследовательский и проектный институт промышленности строительных материалов.

Защита состоится л26 декабря 2001 года в 1130 часов на заседании диссертационного совета Д.212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, г. Уфа, ул.

Космонавтов,1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ.

Автореферат разослан л26 ноября 2001 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор И.Г.Ибрагимов 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно-развитых странах превышает 1% национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста.

В России также происходит ежегодное увеличение количества пожаров и убытков от них, а количество людей, погибающих от пожаров, превышает 13 тысяч в год.

Наибольшие убытки от пожаров и взрывов отмечаются в энергетике, нефтегазодобыче и нефтепереработке. В то же время отмечается снижение внимания проектных организаций к выполнению противопожарных требований и норм в процессе проектирования, строительства и реконструкции зданий, а так же надзорных органов за выполнением противопожарных требований при эксплуатации взрыво - и пожароопасных производств и зданий с массовым пребыванием людей.

Мероприятия, направленные на обеспечение пожарной безопасности, проводятся по двум направлениям - пожарная профилактика и активная противопожарная защита. Первое направление связано с недопущением возникновения пожаров или взрывов с максимально возможным ослаблением последствий этих явлений, если они все-таки произойдут. Второе направление охватывает мероприятия по ликвидации возникших пожаров.

В данной работе рассматриваются требования и мероприятия по огнезащите не только в области строительства, но и применительно к технологическим процессам и оборудованию, размещаемому в зданиях и сооружениях.

Целесообразность такой универсализации обусловлена тем, что практически невозможно разделить проблемы обеспечения пожаровзрывобезопасности зданий и сооружений от процессов и оборудования в них.

Становится необходимым выполнение комплекса мероприятий по повышению пожаробезопасности производств. Одной из причин развития пожаров является несоответствие фактической огнестойкости строительных конструкций, ограждений технологического оборудования, экранов, рам, этажерок, резервуаров, трубопроводов, механических устройств защиты технологических проемов требованиям противопожарных норм.

Сказанное говорит о необходимости выполнения работ по повышению огнестойкости строительных конструкций и ограждений технологического оборудования, основное место в которой занимает разработка новых огнезащитных покрытий, красок и их применение.

Одним из приоритетных направлений разработки огнезащиты в нашей стране и за рубежом является создание легких огнезащитных вспучивающихся композиций с использованием неорганических материалов и легких эффективных наполнителей природного происхождения.

В данной работе предполагаются комплексные исследования, направленные на разработку состава и оценку эффективности огнезащитного покрытия, проведение огневых испытаний, оценку состояния металлических конструкций после пожаров.

Целью диссертационной работы является разработка мероприятий по повышению пожарной безопасности с применением огнезащитных материалов для огнезащиты строительных элементов конструкций и ограждений технологического оборудования.

Основные задачи исследования:

1. На основе анализа существующих средств и методов огнезащиты металлических и деревянных элементов конструкций определить направления по повышению огнестойкости строительных конструкций и ограждений технологического оборудования.

2. Провести исследования механических свойств стали Ст.3, защищенной огнезащитным составом после воздействия высокой температуры.

3. Провести сравнительные статистические исследования микроструктуры образцов, подверженных воздействию высокой температуры.

4. Подобрать наиболее оптимальное соотношение компонентов огнезащитного покрытия и оценить его эффективность.

Научная новизна - Показано, что при огневом воздействии на стальные изделия (сталь марки Ст.3) в стандартных условиях применение покрытия на основе силикатов обеспечивает увеличение числа циклов до разрушения малоцикловой области в 2-3 раза по сравнению с изделиями без покрытия, при этом изменений фазового состояния стали не происходит.

- Показано, что применение разработанной огнезащитной краски на основе силикатов с добавлением 15% графита, обеспечивающей первую группу огнезащитной эффективности, позволяет получить после обработки трудносгораемую древесину.

Практическая ценность 1. Разработанная огнезащитная краска для деревянных элементов конструкций обеспечивает первую группу огнезащитной эффективности, при минимальном расходе 0,5 кг/м2 (без учета потерь), обеспечивает получение трудносгораемой древесины, повышает предел воспламеняемости в соответствии с ГОСТ 30402-96 до В 2 (умеренновоспламеняемые) и снижает распространение пламени по поверхности в соответствии с ГОСТ 30444-97 до РП(нераспространяющие).

2. Огнезащитный состав прошел сертификационные испытания в аккредитованных испытательных центрах испытательных пожарных лабораторий УГПС МВД Республики Башкортостан, УГПС МВД Республики Татарстан и во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД России.

3. Разработанный огнезащитный состав внедрен в строительный и промышленный комплекс Республики Башкортостан и данным составом успешно обрабатываются строящиеся и реконструируемые объекты, такие как санаторий Янган-Тау, Башдрамтеатр, Татарский театр НУР объекты ОАО Башнефтехим и многие другие.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах, научно-технических советах и конгрессах:

- Вторая Всероссийская научно-техническая конференция Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность, Уфа, 1996 г.

- Второй научно-технический семинар Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан, Уфа, УГНТУ, 1999 г.

- Пятая Международная научно-техническая конференция при V Международной специализированной выставке Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2001, Уфа, УГНТУ, 2001 г.

- Третий конгресс нефтепромышленников России, Уфа, 2001 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе один патент на изобретение. В этих исследованиях автору принадлежит постановка задач, участие в их решении, анализ полученных результатов и внедрение огнезащитной краски.

Объем и структура работы. Диссертационная работа общим объемом 194 страницы состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений, содержит 127 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены теоретические основы горения твердых материалов, физико-химические основы горения и самовозгорания.

Рассмотрены и обобщены условия пожароопасности технологических процессов, помещений, зданий и сооружений. Проанализирован опыт применения огнезащитных покрытий для металлических и деревянных конструкций с применением легких заполнителей.

Огнезащитные покрытия на легких заполнителях позволяют производить работы по их нанесению механизированным способом с помощью стандартного оборудования. Основные направления применения огнезащитных покрытий связаны со следующими факторами: снижение удельной массы покрытий, замена асбеста минеральными и волокнистыми материалами, более широкое использование таких эффективных материалов, как вспученный перлит и вермикулит, увеличение огнестойкости и долговечности.

Анализ литературного материала показал целесообразность проведения настоящей работы на основе комплексных исследований, направленных на повышение огнестойкости металлических и деревянных конструкций.

Во второй главе обосновывается выбор объектов и методов исследований.

В настоящей работе для исследований влияния огнезащиты на металлические конструкции использовали конструкционную углеродистую сталь Ст.3 стандартной поставки. Из заготовок изготавливали стандартные образцы (рис.1).

Образцы, покрытые огнезащитным составом ОФП МВ, подвергали воздействию температуры 7000С в течение 2 часов. Испытания на усталость проводились по типовой методике и ГОСТ 25.504. Сравнительные статистические исследования механических свойств образцов были проведены по методике, представленной на рис.2. Проведен анализ статистики разрушения и анализ микроструктуры по методике количественной металлографии для оценки содержания доли перлитной фазы и детальных исследований неоднородности размеров перлитной фазы, сравнительные исследования параметров микротвердости исходных, обработанных и испытанных образцов.

Рис.1. Образцы до и после циклического испытания Образцы (I) (II) (III) исходные без защиты с защитой (Т=700С, t=2ч) (Т=700С, t=2ч) микроструктура микроструктура микроструктура объемные доли перлитных фаз (%) объемные доли перлитных фаз (%) объемные доли перлитных фаз (%) их распределения по размерам (d) их распределения по размерам (d) их распределения по размерам (d) микротвердость (HV), Р=100г микротвердость (HV), Р=100г микротвердость (HV), Р=100г циклические испытания циклические испытания циклические испытания статистика разрушения статистика разрушения статистика разрушения количество циклов (N) количество циклов (N) количество циклов (N) макросъемка макросъемка макросъемка статистика отклонения статистика отклонения статистика отклонения центров разрушения (r) центров разрушения (r) центров разрушения (r) микроструктура микроструктура микроструктура объемные доли перлитных фаз (%) объемные доли перлитных фаз (%) объемные доли перлитных фаз (%) их распределения по размерам (d) их распределения по размерам (d) их распределения по размерам (d) микротвердость (HV), Р=100г микротвердость (HV), Р=100г микротвердость (HV), Р=100г Рис.2. Методика сравнительных статистических исследований параметров микроструктуры и механических свойств образцов типа I, II, III Поскольку в большинстве случаев границы зерен перлита выявляются не всегда достаточно хорошо, то согласно ГОСТ 5640-68 в малоуглеродистой стали в основном проводят исследования перлита (количество или объемная доля, особенности распределения по размерам и морфология формы) при увеличении 360-400х. В связи с этим, для решения поставленных задач, в работе использовано следующее оборудование: приспособления для шлифования и химического травления шлифов, оптический металлографический микротвердомер с приставкой для съемки структуры, сканер, компьютер и программное обеспечение для работы с изображением.

Испытания на усталостную прочность образцов диаметром от 1 до 5 мм, с частотой нагружения от 1 до 40 циклов в минуту проводили на установке, разработанной на кафедре Машины и аппараты химических производств УГНТУ.

Принятая схема образцов и их нагружения исключала влияние захватов машины, т.е. повреждаемость развивалась в малом объеме рабочей зоны образцов, и отклонения составляли в среднем около 0,5 мм от центра рабочей зоны. Циклические испытания материалов имеют важное значение, поскольку большинство деталей машин, транспортных и других конструкций в процессе службы (до и после пожароаварийных ситуаций) претерпевают воздействие переменных нагрузок.

Под действием циклически изменяющихся переменных напряжений (деформаций) происходит процесс постепенного накопления повреждений, приводящих к критической степени искажения решетки в отдельных объемах (зернах) вследствие протекания циклической микропластической деформации, к созданию локальных пиковых напряжений, могущих вызвать разрыв межатомных связей, к образованию зародышевых трещин, их развитию и, наконец, к разрушению. Сравнительный анализ образцов после циклических испытаний показал, что защищенные образцы выдерживают в 3 раза больше циклов до разрушения, чем те образцы, которые подвергались огневому воздействию без защиты (рис. 3). Это говорит о том, что при огнезащите образцов происходит процесс силицирования, что влияет на развитие трещин и приводит к повышению циклических свойств.

Рис. 3. Статистика разрушения для образцов разного типа (1 - исходные, 2 - без защиты и 3 - с защитой) Третья глава посвящена исследованию влияния огнезащитного слоя на структуру и механические свойства образцов из конструкционного материала сталь Ст.3 в условиях близких к пожару.

Противопожарная защита имеет своей целью изыскание наиболее эффективных, экономически целесообразных и технически обоснованных способов и средств защиты металлоконструкций. Огнезащитные покрытия металлоконструкций должны быть дешевыми, безопасными в эксплуатации.

Во многих металлоконструкциях обычно широко используют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны.

Высоким требованиям нефтегазовой промышленности к прочностным и вязким свойствам, а также сопротивлению хрупкому разрушению сталей в полной мере удовлетворяют низколегированные стали нового поколения, так называемые малоперлитные, обладающие уникальным сочетанием свойств: