Градиентно-температурный критерий огнестойкости бетонных конструкций при пожарах в химической отрасли промышленности

В строительных конструкциях химических и нефтехимических предприятий применяются различные материалы — дерево, полимерные покрытия, металлы, бетон. Огнестойкость горючих материалов оценивается по критериям воспламенения и зажигания. Огнестойкость негорючих материалов нормируется по пределу огнестойкости, который равен времени от начала воздействия пожара до наступления одного из предельных (критичных) состоянийэлемента конструкции.

В соответствии с [1] пределы огнестойкости устанавливаются в стандартных огневых испытаниях. При этом в огневых печах реализуются условия воздействия «стандартного» пожара на элемент строительной конструкции: По международному стандарту [2] стандартный пожар аппроксимируется формулой подъема температуры окружающей среды до.

О 2,.

1200 С и> плотности теплового потока до 25 кВт/м в течение нескольких часов.

Метод «стандартного» пожара необходим для сравнительной оценки огнестойкости различных элементов строительных конструкций с целью оптимизации геометрических размеров, обоснованного выбора материалов, согласования результатов испытаний в различных отечественных и международных проектных организациях.

Предельные состояния элементов строительных конструкций могут возникать в аварийных ситуациях и при крупномасштабном горении углеводородных топлив. Количественная оценка огнестойкости материалов конструкций необходима для прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС), разработки средств защиты, а также при проектировании пожароопасных объектов.

Однако в реальных пожарах, возникающих в аварийных ситуациях на химических и нефтехимических предприятиях, интенсивность тепловых потоков и время горения до наступления предельных состояний элементов конструкций отличаются от условий стандартного пожара в несколько раз.

Так, при разлитии и горении жидких углеводородных топлив, в случае разрушения емкостей и технологического оборудования с жидкими углеводородами [3 — 6], при факельном горении природного газа в случае аварий на магистральных газопроводах [7], интенсивность теплового л потока излучения от поверхности пламени может достигать 450 кВт/м [8].

В связи с длительностью, сложностью и высокой стоимостью лабораторных испытаний согласно Федеральному закону № 123-ФЭ от 22.07.2008 г. «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [9] и нормативным документам [10 — 12] допускается для типовых элементов, прошедших огневые испытания, проводить оценку огнестойкости расчетным методом. В расчетных методах, регламентируемых в [1], и в научно-технической литературе в качестве термодинамического критерия достижения предельного состояния рекомендуется критерий критической температуры. Градиент температуры по сечению образца материала при стандартном пожаре в расчетах не учитывается. Даже в экспериментах по оценке уменьшения предела прочности бетона при увеличении температуры нагрева искусственно обеспечиваются условия равномерного нагрева образцов.

Другим альтернативным подходом в оценке предельных состояний материалов при высокоинтенсивном нагреве является применение теории динамической термоупругости [13]. Так, в работах [14, 15], применительно к одностороннему нагреву однородных материалов без учета физико-химических превращений впервые установлено, что в упругих телах может возникнуть упругая волна, распространяющаяся со скоростью звука в данной среде. Градиент температуры и напряжение в волне могут достигать предельных значений и привести к разрушению материала.

Одним из вероятных механизмов разрушения элементов железобетонных конструкций при высокоскоростном нагреве является градиент давления пара при его испарении и молярном переносе в капиллярно — пористых телах, впервые теоретически и экспериментально обоснованный А. В. Лыковым [16, 17]. В исследованиях Жукова [18] экспериментально установлено, что взрывообразное разрушение железобетонных (ж/б) конструкций может происходить и под воздействием капиллярного давления пара.

Следует отметить, что высокие плотности теплового потока при горении углеводородов в лабораторных условиях могут быть достигнуты только за счет создания крупномасштабных огневых камер, что является сложной технической задачей для многочисленных испытаний образцов.

В связи с изложенным, совершенствование методов оценки пределов огнестойкости элементов строительных конструкций при высокоинтенсивном нагреве имеет важное теоретическое и прикладное значение. В настоящее времяактуальность, перспективность данного направления исследований усиливается в связи с разработкой Правительством РФ мегапроекта по крупномасштабной добыче и. транспортировке нефти и газа на полуострове Ямал. При, этом предполагается строительство терминалов с объемом хранения продуктов более 300 тыс. м3 [19] при высокой концентрации технологического оборудования, а также транспортировка сжиженного газа различными транспортными средствами, в страны ближнего и дальнего зарубежья. Эти обстоятельства выдвигают новые требования к обеспечению пожарной безопасности таких объектов [20, 21], а также к самим приемам оценки реальной безопасности.

Необходимость разработки расчетных методов определения огнестойкости элементов строительных конструкций при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях на основе результатов стандартных огневых испытаний мотивировала выбор цели и задач настоящего исследования.

Целью работы является научное обоснование градиентно-температурного критерия для расчета огнестойкости элементов железобетонных конструкций от воздействия высокоинтенсивных конвективно-радиационных потоков при крупномасштабном горении углеводородов для различных сценариев эволюции пожара на нефтехимических предприятиях: огненного шара, пожара разлития, факельного горения, пожара-вспышки. В задачи исследования входило:

1. анализ критериев разрушения бетона в широком диапазоне изменения плотности теплового потока;

2. построение вычислительной модели процесса тепломассообмена в элементах бетонных конструкций при высокоинтенсивном нагреве;

3. обоснование градиентно-температурного критерия разрушения бетона" под воздействием нагрева от продуктов горения углеводородныхтоплив;

4. экспериментальная проверка адекватности градиентно-температурного критерия разрушения при локальном высокотемпературном нагреве- «.

5. исследование влияния влажности на оценку огнестойкости по теплоизолирующей способности;

6. разработка расчетного метода оценки огнестойкости элементов ж/б конструкций при пожарах разлития, огненных шарах, факельном горении на основании данных стандартных огневых испытаний. Научная новизна проведенных исследований может быть сформулирована в виде следующих ключевых положений:

1. обоснован новый градиентно-температурный критерий потери несущей способности ж/б конструкций при различных сценариях развития пожара на химических и нефтехимических предприятиях;

2. с использованием модели теплопередачи с объемным источником испарения влаги усовершенствован метод оценки огнестойкости по теплоизолирующей способности;

3. предложен метод прогнозирования огнестойкости для различных сценариев пожаров на химических и нефтехимических предприятиях по результатам огневых испытаний по условиям стандартного пожара.

Личный вклад автора в работу состоит в анализе литературных данных по механизмам высокотемпературного испарения влаги в капиллярно-пористых телах, сравнительном анализе критериев огнестойкости по несущей и теплоизолирующей способности, математической формулировке краевых условий уравнения Фурье, проведении и обработке вычислительных экспериментов, обосновании вычислительного алгоритма оценки огнестойкости элементов ж/б конструкций при пожарах разлития, огненных шарах, факельном горении. Основные результаты, выносимые на защиту:

• вычислительная модель для расчета температурного поля в. элементе конструкции с учетом зависимости теплофизических свойств материала от температуры иобъемного источника испарения влаги при воздействии тепловых потоков от пламени пожаров при крупномасштабном горении углеводородов;

• градиентно-температурный критерий потери несущей способности ж/б конструкций при высокоинтенсивном нагреве;

• расчетный метод оценки огнестойкости элементов конструкций при пожарах разлития, огненных шарах, факельном горении по данным огневых испытаний в условиях «стандартного» пожара. Практическая значимость полученных результатов заключается в:

• совершенствовании существующих стандартных методов оценки предела огнестойкости по несущей способности с использованием градиентно-температурного критерия для прогнозирования огнестойкости элементов строительных конструкций при воздействии пожаров на, химических и нефтехимическихпредприятиях (пожары разлития, огненные шары, факельное горение углеводородов);

• совершенствовании существующих стандартных методов оценки предела огнестойкости по теплоизолирующей способности с привлечением компьютерной модели расчета нестационарного температурного поля в элементах конструкций с учетом зависимости теплофизических свойств от температуры и объемного механизма испарения влаги;

• повышении эффективности и обоснованности проектных работ в части разработки деклараций промышленной безопасности, планов локализации аварийных ситуаций за счет использования достоверных критериев огнестойкости ж/б конструкций.

Реализация и внедрение результатов работы. Расчетный метод оценки огнестойкости элементов ' железобетонных конструкций при пожарах разлития (огненных шарах, факельном горении) на основании данных стандартных огневых испытаний, разработанныйв диссертации, ' используется проектным институтом ООО «Инженерное бюро «АНКОР», ООО «Эксперт Бюро» и ООО «НПФ «Реконструкция» при оценке пределов огнестойкости железобетонных конструкций при горении углеводородов. Использованный подход повышает достоверность и информативность проектных решений по оценке пожарных рисков в расчетной части специальных разделов ряда документов< («Декларации промышленной и пожарной безопасности опасных производственных объектов», «Планы локализации аварийных ситуаций»), а так же при разработке Мероприятий по обеспечению пожарной безопасности опасных производственных объектов.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 публикациях, в том числе 7 научных статей опубликовано в научных изданиях рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации материалов, представляемых на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, а также в материалах.

5 Российских и международных научных конференций. В названных публикациях полностью отражены основные положения диссертации.

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, форумах, симпозиумах:

1. Международная научная конференция «Современные проблемы химической и радиационной физики». — Москва, Президиум РАН. 25 — 29 августа 2009 г.

2. III Всероссийская конференция и XIII Школа молодых ученых «Безопасность критических инфраструктур и территорий». — Екатеринбург, УрО РАН, 2009 г.

3. Научная сессия ФГУ ВПО «Казанский государственный технологический университет». — Казань, 2−5 февраля 2010 г.

4.62-ая Республиканская научная конференция Казанского государственного архитектурно-строительного университета. — Казань, 24 марта 2010 г. ?

5. II Конференция по фильтрационному горению. — Черноголовка, октябрь, 2010 г.

Структура диссертации включает в себя введение, три главы основного текста, выводы, список использованных литературных источников, приложения.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Обоснован новый градиентно-температурный критерий разрушения бетона при высокоинтенсивном нагреве строительных конструкций от продуктов горения углеводородов на химических и нефтехимических предприятиях.

2. Разработана вычислительная модель теплопередачи в бетоне с объемным источником испарения влаги при радиационно-конвективном нагреве от пламени пожаров разлития, огненных шаров, факельного горения.

3. Адекватность модели реальным аварийным ситуациям, возникающим при горении углеводородов, подтверждена методом специального локального нагрева образцов бетона.

4. С использованием вычислительной модели предложен метод прогнозирования огнестойкости по теплоизолирующей способности элементов ж/б конструкций.

5. Предложен новый метод расчета огнестойкости элементов конструкций при пожарах в химической и нефтехимической отраслях промышленности по результатам стандартных огневых испытаний с использованием градиентно-температурного критерия разрушения бетона.