Статьи

Тепловая изоляция как способ снижения пожарной опасности резервуаров


Печатается с некоторым сокращениями с разрешения автора


к.т.н., доцента МГСУ Фахрисламова Р. З.


Перепечатка и использование данных материалов

без разрешения автора и собственника сайта запрещены.


Значимость эффективной тепловой изоляции технологических трубопроводов, аппаратов, оборудований и резервуаров неоспорима. Она выполняет важные функции, от которых зависит работоспособность и экономичность многочисленных промышленных и энергетических комплексов, административных и жилых зданий, эксплуатируемых в различных климатических условиях. Она предназначена для сохранения заданных температур, необходимых для стабильной и безопасной работы технологических установок, а также комфортабельных условий проживания и работы людей.


Многообразие требований предъявляемых к тепловой изоляции, как по теплофизическим и физико-механическим, так и по пожарной безопасности, определяет необходимость поиска и разработки новых материалов, удовлетворяющих этим требованиям.

Высокоэффективными теплоизоляционными материалами являются полимеры, имеющие хорошие теплофизические свойства, широкий температурный интервал применения и продолжительный срок эксплуатации. Однако требования нормативных документов ограничивают область применения полимерных материалов в промышленной и строительной тепловой изоляции вследствие их горючести.


Критерием применимости материалов, в соответствии с НТД, в конструкциях ПТИ по пожарной безопасности является показатель группы горючести материала, определяемый стандартным методом, в соответствии с ГОСТ, что не является комплексным или полнофакторным показателем пожарной опасности конструкции ПТИ.


Известно, что один и тот же материал может вести себя по-разному в зависимости от условий эксплуатации, а следовательно, важен показатель пожарной опасности конструкции ПТИ, а не показатель группы горючести материала используемого в конструкции ПТИ.


Для обоснования возможности применения материалов в конструкциях ПТИ была разработана классификация объектов тепловой изоляции, позволяющая учитывать многие факторы реальных условий их эксплуатации.


Данная классификация объектов тепловой изоляции позволяет обоснованно в зависимости от назначения, показателя пожарной опасности и температуры теплоносителя, вида прокладки трубопровода, условий эксплуатации и т.д., предъявлять соответствующие противопожарные требования.


При разработке норм применения материалов в конструкциях ПТИ независимо от назначения (трубопроводы, аппараты или резервуары) необходимо учитывать весь комплекс факторов, влияющих на их пожарную опасность и возможность научно-обоснованного их применения.


В соответствии с практикой и требованиями нормативных документов для аппаратов и резервуаров обычно применяют наружную тепловую изоляцию, в основном из негорючих материалов. При наружном применении тепловая изоляция защищена от воздействия агрессивной внутренней технологической среды, но в то же время не использует свою потенциальную возможность защиты от этой среды корпуса теплоизолированного сооружения (аппарата, резервуара). Именно к наружному применению относятся ограничения области применения горючих полимерных теплоизоляционных материалов.


Известно, что при тепловом воздействии на технологические аппараты, оборудование и резервуары (цистерны, емкости и т.д.), независимо от вида хранимого продукта, происходит повышение (приращение) парциального давления паров в газопаровоздушной среде и чем выше температура теплового воздействия и пожаровзрывоопасней продукт, тем выше давление избыточных паров в газопаровоздушной среде. Особенно это опасно для легкоиспаряющихся продуктов (ЛВЖ), хранящихся в емкостях. При отсутствии дыхательной или предохранительной арматуры давление может возрасти выше критической, что может привести к разрушению емкости. На практике же происходит выброс или стравливание в атмосферу, через соответствующие дыхательные или аварийные устройства, газовой фракции в виде предельных и непредельных углеводородов, что приводит к загазованности и повышенной пожарной опасности окружающей среды, а также большим потерям нефтепродуктов.

В обеспечение безопасности и эффективности эксплуатации резервуаров для нефти и нефтепродуктов представляет интерес нанесение теплоизоляционного покрытия не на наружную, а на внутреннюю поверхность защищаемого сооружения, т.е. резервуара (см. рис. 1).

  

  


Рис.1 Тепловая изоляция резервуаров



I вариант

Традиционный способ

II вариант

Предлагаемый способ


1 – дыхательная арматура;

2 – корпус резервуара;

3 – наружная тепловая изоляция из негорючих материалов;

4 – внутренняя тепловая изоляция из горючего полимерного материала.


Недостатки традиционного способа теплозащиты резервуаров:


  • усадка и слеживаемость теплоизоляционного материала, что приводит к увеличению теплопроводности и теплопотерям;
  • трудоемкость и непроизводительность монтажных работ;
  • монтаж теплозащиты проводится только в сухую и теплую погоду;
  • коррозия металлоконструкций резервуара как с внутренней поверхности, так и под теплоизоляцией;
  • сложность проведения диагностики состояния резервуара;
  • образование пирофорных отложений на стенках резервуара;
  • большие эксплуатационные расходы по обслуживанию резервуара;
  • пропитывание теплоизоляционного материала нефтепродуктами за счет перелива или образования микротрещин в корпусе резервуара, что в свою очередь приводит к потере теплозащитных свойств и переходу теплоизоляционного материала из группы негорючих материалов в группу горючих;
  • сложность ликвидации возможных пожаров вследствие:

    - невозможности охлаждения стенки (корпуса) резервуара;

    - быстрый разогрев нефтепродукта за счет передачи тепла от стенки резервуара;

    - увеличение массовой скорости выгорания нефтепродукта в единицу времени;

    - снижение времени до вскипания или выброса нефтепродукта;

    - снижение времени «живучести» резервуара.


Эффективность внутренней тепловой изоляции может быть обеспечена (достигнута), если она выполняет функции, обычно выполняемые наружной изоляцией, преодолеет недостатки наружной изоляции в части защиты теплоизолированного сооружения.

Тепловая изоляция может влиять на безопасность, техническую, технологическую и экономическую эффективность сооружения. Обобщающим понятием безопасности является промышленная безопасность сооружения для людей, зданий и сооружений и окружающей природной среды. Компонентами промышленной безопасности являются техническая (производственная), экологическая, пожарная безопасность. Составными частями пожарной безопасности являются предотвращение пожара и противопожарная защита (локализация и тушение пожара).

  

   Для стальных резервуаров с нефтью и нефтепродуктами от применения тепловой изоляции положительными эффектами могут быть:

  1. В производственной безопасности - защита от коррозии металла (стали).
  2. В экологической безопасности - сокращение выброса паров в атмосферу.
  3. В предотвращении пожара - предотвращение образования и самовозгорания пирофоров посредством защиты от коррозии стали, молниезащита и защита от статического электричества.
  4. В локализации пожара - огнестойкость горящего резервуара, ослабление прогрева соседнего негорящего резервуара, уменьшение потребности в охлаждении резервуаров водой при пожаре.
  5. В тушении пожара - возможность концентрации усилий на активном тушении с уменьшением потребности воды для охлаждении резервуаров, сокращение теплопередачи между резервуаром и окружающей средой.
  6. В технико-экономической эффективности эксплуатации резервуара - защита от коррозии металла, сокращение выброса паров в атмосферу, а также технологичность, экономичность, долговечность, контроль состояния и проведение ремонтных работ.

  

Для ослабления нагрева стального наземного резервуара от действия окружающей среды и сокращения выброса паров («малые дыхания») из резервуара в атмосферу тепловую изоляцию не применяют. Следовательно, сокращение выброса паров в атмосферу не может быть аргументом для применения на резервуаре внутренней тепловой изоляции, но может быть дополнительным положительным эффектом в случае применения внутренней тепловой изоляции по другим соображениям. В этом вопросе следует ориентироваться на ранее выполненные работы и результаты по борьбе с потерями от испарения нефтепродуктов, в том числе посредством применения тепловой изоляции.


Потери нефтепродуктов от «малых дыханий» зависят от их частоты, которые, при равных прочих условиях, зависят от климатической зоны эксплуатации резервуара, времени года и температуры окружающей среды. Так, резервуар РВС 5000 с бензином при погодных условиях лета, максимальной температуре днем 305К, минимальной ночью – 291К за сутки, потери составят порядка 380 кг бензина или более 10000 руб.

Экономический анализ стоимости теплоизоляционных работ резервуара РВС 5000 полимерным материалом показал, что окупаемость только с учетом потерь нефтепродукта за счет «малых дыханий» составляет до 6 месяцев. С учетом сокращения ежегодных эксплуатационных расходов по обслуживанию резервуара срок окупаемости значительно снизится.


ТАБЛИЦА ОКУПАЕМОСТИ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ РЕЗЕРВУАРОВ (по ценам на 2000 г.)


№ п/п

Наименование параметров

Ед. изм.

Объём резервуара, куб. м.

5000

10000

20000

50000

1.

Диаметр

М

20,9

28,5

39,9

60,7

2.

Площадь крыши

Кв. м.

343,6

637,6

1249,7

2892,3

3.

Площадь боковых стенок

Кв. м.

978,8

1601,9

2242,6

3411,7

4.

Общая площадь

Кв. м.

1322,4

2239,5

3492,3

6304,0

5.

Коэффициент приведения общей площади


1

1,693

2,64

4,76

6.

Годовые потери за счёт малых дыханий

Тн

200

338

528

952

7.

Стоимость годовых потерь

Тыс. руб.

2000

3400

5300

9500

8.

Объём напыляемой теплоизоляции

Куб. м.

40

67,2

104,8

189,1

9.

Стоимость напылённой теплоизоляции

Тыс. руб.

600

1008

1572

2837,5

10.

Окупаемость теплоизоляции

Мес.

3,6

3,5

3,5

3,6


Сегодня снижение малых дыханий обеспечивается за счет устройства в объеме резервуара понтона, который представляет собой сложное техническое и дорогостоящее устройство, которое не предотвращает испарения нефтепродукта из резервуара. Ориентировочная стоимость алюминиевого понтона на РВС 20000 составляет порядка 3 млн. рублей.

Возможности внутренней тепловой изоляции в защите от коррозии стали определяются антикоррозионными качествами тепловой изоляции, которые не должны уступать применяемым антикоррозионным покрытиям. Защита от коррозии стали одновременно является защитой и от пожаров вследствие образования и самовозгорания пирофоров.

Прямой удар молнии реализуется и локализуется на металлическом заземлённом корпусе резервуара. Локальный прогрев металла служит источником зажигания газопаровоздушной смеси в газовом пространстве резервуара. Внутренняя тепловая изоляция изолирует нагретый участок от газопаровоздушной смеси. Кроме того, наружная или внутренняя тепловая изоляция корпуса резервуара ослабит охлаждение и разбавление газового пространства резервуара наружным воздухом во время грозового ливня и тем самым снизит опасность взрыва резервуара.

Долговечность эксплуатации теплоизоляционной конструкции, при сохранении заложенных свойств теплозащиты, приводит к экономическому эффекту. Тепловая изоляция из негорючих материалов (стекловата, минераловатные изделия и т.д.) в процессе эксплуатации слеживаются (особенно на крыше резервуара), а на стенках образуются пустоты (глобулы) за счет усадки, что приводит к ухудшению или полной потере теплозащитных свойств. Срок службы таких конструкций составляет от 7 до 10 лет. Другим недостатком является насыщение теплоизоляционного материала за счет влагопоглощения, что приводит к увеличению теплопроводности и коррозии металлоконструкций резервуара. Применение полимерной тепловой изоляции позволяет устранить перечисленные недостатки и увеличить срок службы до 25 и более лет. Прямой экономический эффект составит, за период эксплуатации резервуара, только за счет демонтажа и монтажа теплоизоляции. При этом не рассматривается экономический эффект, достигаемый за счет проводимой диагностики состояния металлоконструкций резервуара. При теплозащите резервуара с наружной стороны проведение диагностики возможно только при опорожнении и соответствующей зачистке, что приводит к выводу резервуара из технологического процесса на длительный срок.

Эффект от применения тепловой изоляции может быть интегрированным на различные направления. Защита от коррозии металла служит производственной безопасности, предотвращению образования и самовозгорания пирофоров, технико-экономической эффективности применения тепловой изоляции. Сокращение выброса паров в атмосферу служит экологической безопасности и экономической эффективности применения тепловой изоляции. Сокращение теплопередачи между резервуаром и окружающей средой служит технико-экономической эффективности при нормальной эксплуатации сооружения (сокращение выброса паров в атмосферу) и при пожаре (ослабление прогрева соседнего резервуара и уменьшение потребности в охлаждении резервуаров водой при пожаре). В этих эффектах заключены возможные достоинства применения тепловой изоляции. С учётом разнообразия достигаемых эффектов и их взаимосвязи в обосновании целесообразности и эффективности применения внутренней тепловой изоляции необходимо оценить отдельные эффекты и совокупность их одновременного проявления.

Экономическая эффективность применения тепловой изоляции на нефтяных резервуарах типа РВС-5000 позволяет, по данным Уфимского нефтеперерабатывающего завода, достичь положительных результатов при их эксплуатации, а именно:

  

  


  • улучшается экологическая обстановка в резервуарном парке за счет ликвидации "малых дыханий";
  • снижается (ликвидируется) коррозионный износ металлоконструкций и возможность проведения диагностики состояния резервуара;
  • улучшаются условия эксплуатации резервуара в зимний период за счет стабильности температуры нефти, отсутствия образования снегового слоя с наледью на крыше;
  • для высокосернистой нефти достигается предотвращение образования пирофорных отложений, что, в свою очередь, приводит к безопасному увеличению скорости откачивания нефти или значительному сокращению времени опорожнения резервуара;
  • снижается пожарная опасность резервуара за счет отсутствия "малых дыханий", отсутствия образования пирофорных отложений на стенках резервуара, достижения в определенной степени молниезащиты;
  • снижаются потери легких фракций нефти;
  • при возникновении по каким-либо причинам пожара улучшаются тактические особенности их тушения.

   Наиболее большим научным достижением в области теплозащиты резервуаров являются испытания, проведеные в 2002 году на полигоне УГПС МЧС Республики Башкортостан на модели теплоизолированного резервуара полимерным материалом, что позволило разработать предложения по использованию сгораемой теплозащиты как средство по снижению пожарной опасности резервуаров с нефтепродуктами, а также добиться улучшения экологической обстановки.

Создать сайт
бесплатно на Nethouse