Чтобы правильно применять требования пожарной безопасности в отношении хранилищ сжиженных углеводородных газов, а также создавать условия для своевременного и качественного тушения возможных пожаров, необходимо владеть знаниями о пожарной опасности объектов указанной категории. Именно об особенностях аварийных ситуаций, которые могут возникнуть при хранении сжиженных углеводородных газов, пойдет речь в данной статье.
Сжиженные углеводородные газы (далее — СУГ) — это углеводороды (пропан, бутан и их изомеры) или их смеси, которые при нормальном давлении и температуре окружающего воздуха находятся в газообразном состоянии, но при увеличении давления на относительно небольшую величину без изменения температуры переходят в жидкое состояние.
Вещества этой категории имеют критическую температуру выше, а температуру кипения — ниже температуры окружающей среды. Так, температура кипения пропана минус 42 °С, а критическая температура плюс 96 °С.
Основная причина аварий на объектах хранения СУГ, таже, что и на объектах хранения сжиженного природного газа — это потеря герметичности емкостей и трубопроводов. Неуправляемая разгерметизация происходит, когда технологические параметры (обычно давление или температура) превышают предельные значения до такой степени, что технологическое оборудование теряет способность удерживать в себе технологические материалы. Неуправляемая разгерметизация может быть следствием разрывов, неисправностей уплотнений, прокладок, сварных швов и т. д. Сбросы на факел, сброс давления и сдувка считаются управляемой разгерметизацией.
Дальнейшее развитие аварийной ситуации с СУГ имеет некоторые отличия от аварий на объектах сжиженного природного газа (далее — СПГ).
Для хранения СУГ широко используются стальные резервуары цилиндрической и сферической форм и обычно с двойными стенками, пространство между которыми может быть заполнено теплоизолирующим материалом.
Хранятся СУГ или под давлением при температуре окружающей среды, или в охлажденном до температуры кипения состоянии.
Для СУГ, хранящихся под давлением, при снижении температуры окружающей среды для обеспечения положительного избыточного давления, а также недопущения попадания воздуха внутрь предусматривают азотную подушку.
Вещества этой категории отличаются способностью к «мгновенному испарению». То есть при разгерметизации часть жидкости мгновенно испаряется, а оставшаяся охлаждается до точки кипения при атмосферном давлении. При этом могут образовываться паровые облака, которые создают значительную часть проблем с точки зрения безопасности.
Рассмотрим разлитие жидкостей, имеющих критическую температуру выше температуры окружающей среды. Как отмечалось выше, их свойства отличаются от свойств криогенных жидкостей, особенно если они содержатся под давлением. В случае разрушения оболочки емкости, содержащей СУГ под давлением, и последующего разлива большого количества вещества в поддон (обваловку), его поступление в атмосферу может осуществляться в течение длительного времени. Процесс испарения в этом случае делится на три периода (а не на два, как это происходит с СПГ):
- 1 период — период мгновенного испарения;
- 2 период — период нестационарного (неустойчивого) испарения;
- 3 период — период стационарного испарения.
Первый период. Основное отличие СУГ от СПГ заключается в явлении мгновенного испарения, которое возникает тогда, когда в системе, включающей жидкость, находящуюся в равновесии со своими парами, понижается давление. При этом происходит бурное, почти мгновенное испарение за счет разности упругости насыщенных паров вещества в емкости и парциального давления в воздухе.
Данный процесс обеспечивает основное количество паров вещества, поступающего в атмосферу в этот период времени. Кроме того, часть вещества переходит в пар за счет изменения теплосодержания жидкости, температуры окружающего воздуха и солнечной радиации. В результате температура жидкости понижается до температуры кипения.
Учитывая, что за данный период времени испаряется значительное количество вещества, то может образоваться облако с концентрациями, приводящими к взрыву и/или токсическому поражению (в зависимости от типа вещества).
Второй и третий периоды аналогичны СПГ.
Период нестационарного испарения обусловлен немедленным закипанием жидкости за счет подвода тепла из поддона и окружающего воздуха. В этот период происходит снижение интенсивности испарения за счет охлаждения поддона (обвалования). По мере замерзания поддона подвод тепла от него практически прекращается. В последующем подвод тепла осуществляется только от окружающего воздуха, является постоянным, что приводит к стационарной фазе кипения. Интенсивность испарения при этом уменьшается до 10 раз. Продолжительность стационарного периода в зависимости от количества разлившегося вещества и внешних условий может достигать суток и более.
В некоторых случаях возникает необходимость рассмотреть промежуточный вариант выброса СУГ — брызги криогенной жидкости. Брызги криогенной жидкости — струи пара, содержащие жидкую фазу в виде капелек. Этот вариант разгерметизации обращает на себя внимание, поскольку брызги жидкости также приведут к быстрому охлаждению любых пораженных объектов, в том числе и обвалования. Величина брызг криогенной жидкости определяется расстоянием, на котором в облаке имеется жидкая фаза. Один и тот же выброс может вызвать разбрызгивание, которое приведет к проливу. Скопление капель СУГ в одном месте могут образовать лужу разлива.
Наиболее опасной стадией аварии, безусловно, являются первые 10 минут, когда испарение вещества происходит интенсивно. При этом в первый момент выброса сжиженного газа, находящегося под давлением, образуется аэрозоль в виде тяжелых облаков.
Распространение такого облака может происходить не только по направлению ветра, но и в поперечном, и даже противоположном ветру направлениях. Облако тяжелых паров при достижении им источников зажигания может сгорать с образованием воздушной ударной волны. Сгорание топливно-воздушной смеси может протекать как в режиме детонации, так и в режиме дефлаграции (быстрого горения).
При детонации может наблюдаться и эффект самовоспламенения за счет интенсивного сжатия смеси сверхзвуковой ударной волной.
В последнее время на крупных предприятиях все чаще используется способ хранения СУГ при атмосферном давлении и низкой температуре. Применение этого способа достигается путем искусственного охлаждения, что приводит к снижению упругости паров сжиженных углеводородных газов. При таких условиях хранения можно добиться отсутствия периода мгновенного испарения в случае аварийной ситуации и, как следствие, уменьшения СУГ, вышедших в зону аварии.