Применение гибридной пены для обеспечения безопасности аэропортов и объектов ТЭК

В последние годы в связи с ростом террористической активности со стороны ряда недружественных стран произошла серия атак с возникновением взрывов и пожаров на приграничные объекты топливно-энергетического комплекса (ТЭК) России. В результате этих атак (в Белгороде, Воронеже, Курске, на Крымском мосту и др.) возникали крупномасштабные пожары. Анализ методов борьбы с такими пожарами показал на необходимость корректировки существующей тактики вплоть до необходимости пересмотра всей системы организационных и тактико-технических мероприятий, принятых и длительное время применяемых в Российской Федерации.

Проблема повышения эффективности методов и средств борьбы с пожарами, возникающими из-за горения нефтепродуктов, как в Российской Федерации, так и во всем мире стояла перед специалистами уже много десятков лет. Например, в 60–70-е гг. ХХ века, в годы интенсивного развития авиационной промышленности, авиаперевозок и увеличения числа пассажиров гражданской авиации, достаточно остро стоял вопрос о необходимости создания в аэропортах СССР действенных качественных и практичных огнетушащих средств и систем.

Противопожарная защита аэропортов

Основной причиной постановки вопроса о наличии необходимого требуемого уровня противопожарной защиты аэропортов (аэродромов) была ухудшающаяся статистика авиационно-транспортных происшествий, связанных с послеаварийными пожарами на земле. Как правило, если при аварии воздушного судна на земле происходил пожар, даже в пределах аэродрома, где должно было находиться требуемое количество пожарных аэродромных автомобилей, то, несмотря на их усилия по локализации и ликвидации пожара, самолет практически полностью сгорал, и жертв от пожара избежать не удавалось.

Первые стандарты пожаротушения аэропортов

Еще в 50–60-е гг. прошлого столетия перед группой экспертов Международной организации гражданской авиации (ICAO) была поставлена задача разработать рекомендации по обеспечению противопожарной защиты соответствующего уровня для аэропортов любых категорий. В основе этих требований, в первую очередь, лежала необходимость обеспечить высокую скорость пожаротушения в целях обеспечения минимального риска для жизни людей (пассажиров и экипажа) при их спасении с аварийного воздушного судна. Невыполнение требований ICAO в части, касающейся уровня противопожарной защиты, ставило под угрозу невключения аэропорта страны-члена ICAO в разряд аэропортов международного уровня.

Пенообразователь AFFF

Исследования, проведенные во многих странах мира, в том числе в РФ, показали, что для успешного спасения людей из самолета, вокруг которого происходит горение топлива, необходимо обеспечить тушение разлитого после аварии топлива в пределах некой "критической площади" за время не более 1–2 мин. Эту задачу  в то время выполнить было практически невозможно, но с появлением в 60-е гг. ХХ века в США нового огнетушащего средства под названием "Aqueous Film Forming Foam" (AFFF) появилась надежда. Компоненты AFFF стали активно внедряться не только внутри США, но и за рубежом. Многие страны мира были вынуждены покупать у фирмы 3М (США) пенообразователь AFFF в связи с необходимостью привести уровень противопожарной защиты аэропортов в соответствие с рекомендациями, а в дальнейшем и с требованиями норм ICAO.

Отечественные технологии

В 60–70-е гг. аэродромные пожарноспасательные подразделения СССР использовали генераторы пены средней кратности типа ГПС 600 или стволы пены низкой кратности типа СВП для тушения пожаров послеаварийных самолетов.

Генераторы пены средней кратности типа ГПС 600 обеспечивали подачу достаточно хорошей изолирующей струи пены средней кратности, однако ее дальнобойность была крайне низкой (не больше 6–8 м.). Стволы пены низкой кратности обладали хорошей дальностью подачи (вплоть до 30–40 м.), однако их огнетушащая эффективность была чрезвычайно низкой. Кроме того, раздельное применение этих пен не обеспечивало требуемую скорость пожаротушения, что не соответствовало требованиям ICAO. Таким образом, в СССР возникла новая проблема: найти альтернативу американской технологии пожаротушения.

В конце 70-х гг. ХХ века в ВИПТШ МВД СССР на кафедре "Процессы горения" в результате диссертационного исследования автора данной статьи по теме "Анализ существующих методов тушения послеаварийных пожаров авиационной техники на земле и исследование путей повышения их эффективности" появилась разработка под названием "Установка тушения пожаров самолетов" (УТПС) (Рис. 1).

Рис. 1. Установка тушения пожаров самолетов (УТПС) на стартовом аэродромном пожарном автомобиле АА-7.2/60 (4320)

Особенностью этой установки являлась одновременная подача пен низкой и средней кратности, при этом пена низкой кратности, обладая высокой охлаждающей способностью, обеспечивала снижение температуры поверхности горения, на которую наносилась пена средней кратности, обладающая хорошей изолирующей способностью, при этом практически не разрушавшаяся.

Конструкция УТПС позволяла обеспечить увеличение дальности подачи пены средней кратности до 20-30 м. Именно это изобретение позволило с большей скоростью тушить пожары на площадях более 400 кв. м. за время 40-60 с.

С появлением УТПС фактически был снят приоритет фирмы 3М (США) – производителя AFFF по главному параметру –  скорости тушения пожаров. Применение УТПС, использующих относительно недорогие отечественные пенообразователи, свободные от фтора, давало огромный экономический эффект при высокой степени противопожарной защиты аэропортов.

В период 80-90-х гг. установками тушения пожаров самолетов было оснащено большинство аэродромных пожарных автомобилей типа АА-40, АА-60 (МАЗ-7310) и др. на аэродромах СССР.

В 1994 г. НПО "СОПОТ" провело коренную модернизацию технологии пенного пожаротушения, создав для ее реализации целый комплекс установок под торговой маркой УКТП "Пурга". Установки прошли серию межведомственных, сертификационных и сравнительных испытаний с системами, использующими пенообразователи типа AFFF.  Результаты сравнительных испытаний показали (Рис. 2), что концепция одновременной подачи пен низкой и средней кратности позволяет иметь самую высокую скорость тушения пожара и минимальное время тушения при кратностях полученных пен от 20 до 40. Такая зависимость наблюдалась при использовании практически всего типоряда углеводородных синтетических отечественных и экологически чистых пенообразователей, к тому же недорогих.

Рис. 2. График зависимости времени тушения от кратности пены

Отказ от пенообразователя AFFF

В 2000–2020-е гг. в мире произошло множество катастрофических пожаров на объектах хранения нефтепродуктов. Например, 11.12.2005 г. в Великобритании на нефтехранилище Bansfield, в марте 2009 г. на НПЗ Carribean Petroleum в Пуэрто-Рико, 22.08.2009 г. на ЛДПС "Конда" в Ханты-Мансийском АО, 05.10.2017 г. на заводе "ЛУКОЙЛ" в г. Кстово Нижегородской области, 17.11.2018 г. на Московском НПЗ в Капотне и др. (Рис. 3).

Рис. 3. Примененные методы и средства пожаротушения при пожарах цистерн с СУГ и СПГ не приводят к положительному результату

В результате изучения динамики происшествий установлено, что несмотря на то, что при тушении пожаров применялась пена низкой кратности на основе пленкообразующих фторсодержащих пенообразователей типа AFFF, ни один пожар не был потушен за нормативное время. Более того, объективный анализ огнетушащей эффективности AFFF показал несоответствие реальных фактов анонсированным параметрам пленкообразующего пенообразователя.

Более глубокие исследования Комитета по экологии ООН показали, что данный пенообразователь, ко всему прочему, обладает повышенной токсичностью, по сравнению со всеми другими действующими огнетушащими веществами в мире. Его производство, хранение и использование наносит вред не только природе, но и здоровью людей, что делает невозможным дальнейшее использование этого вещества для целей пожаротушения.  В результате настоятельных требований комитета ООН по экологии производство AFFF было прекращено. Таким образом, перед многими странами мира возникла проблема срочной замены данного типа пенообразователя.

Мировое признание разработок НПО "СОПОТ"

В 2019-2021 гг. группа LASTFIRE (Великобритания), представляющая из себя консорциум международных нефтяных компаний, таких как BP International, Neste Oil, Petronas, Qatar Energy, Shell Global Solutions и др., занимаясь проблемой обеспечения пожарной безопасности резервуаров для хранения нефтепродуктов, начала проводить работу по поиску альтернативных AFFF пенообразователей, не содержащих фтор.

НПО "СОПОТ" было приглашено в состав группы LASTFIRE, под наблюдением которой провела натурные огневые испытания по тушению нефтепродуктов на полигоне НПЗ "Киришинефтеоргсинтез" в 2019 г. (г. Кириши, Ленинградская область), а также приняло участие в сравнительных огневых испытаниях в 2021 г. в Верноне (Франция). Специалисты LASTFIRE пришли к выводу, что оборудование для подачи "гибридной пены" производства ООО НПО "СОПОТ" является эффективным вариантом для применения пен нового поколения, не содержащих фтор.

Как выяснилось, в результате многолетних испытаний установок комбинированного тушения пожаров УКТП "Пурга", данная технология обеспечивает высокую скорость тушения нефтепродуктов с использованием как ручных стволов, так и лафетных стволов с производительностью от 100 до 250 л/с с дальностью подачи пены до 100–120 м. (Рис. 4, 5).

Рис. 4. Подача гибридной пены от УКТП "Пурга" 100 в резервуар 10 000 м³

Рис. 5. АПМКТ с УКТП "Пурга" и Роботизированный комплекс взрывопожаропредотвращения и химзащиты РКВХ с УКТП "Пурга"

В 2004–2015 гг. НПО "СОПОТ" провело серию теоретических и экспериментальных исследований по созданию технологии тушения пожаров СУГ и СПГ (Рис. 6, 7).

Рис. 6. Схема технологии взрывопожаропредупреждения СПГ и СУГ при аварийном разливе

1. слой пролитой криогенной жидкости t_кип ≈ -162°C;
2. ледяная подложка h'_сл ≈ 1–2 мм;
3. слой "сухой" замороженной пены h''_сл ≈ 2–5 см;
4. слой охлажденной (мокрой) водовоздушной газонаполненной пены h''_сл ≈ 25–30 см;
5. замороженный слой поверхности контакта с СПГ и СУГ

Рис. 7. Принципиальная схема процесса тушения пожаров разлитых СПГ и СУГ с помощью применения гибридной пеной ("замороженная пена")

1. граница раздела СПГ и СУГ с поверхностью разлива;
2. жидкая фаза метана t_ж= -162 °С (const);
3. "пар" CH4  t = -162 °С (const), ρ = 1,86 г/м³, ρ = 1,5ρ_возд;
4. пористый лед, образующийся при контакте комбинированной пены с СПГ и СУГ h'_сл ≈ 1–2 мм;
5. замороженный слой "сухой" пены h''_сл ≈ 2–5 см;
6. потоки пара/газа CH₄;
7. незамерзший слой пены ("мокрая" пена);
8. струи CH₄ (пар/газ);
9. метано-воздушная (газо-воздушная) смесь f_CH4 ≈ 5–25 %, t_CH4 ≈ 2–5°C, ρ_CH4 = 0,714 кг/м³, ρ_CH4 = 0,57ρ_возд

Физическая сущность этой технологии состоит в создании устойчивого слоя замороженной пены (пенного тепло- и газозащитного слоя покрытия) на всей  свободной поверхности пролитой жидкости. Путем выбора определенного вида пенообразователя, создания пены определенной, заранее заданной дисперсности и кратности и соблюдения требуемого режима ее нанесения на поверхность криогенной жидкости удается создать на её поверхности стабильный пенозащитный слой [Рис. 6].

Пенозащитный слой состоит следующих слоев:

• тонкая (порядка 1–2 мм) ледяная подложка;
• сухая замороженная твёрдая пена (толщиной 1–5 см);
• охлажденная устойчивая воздушно-газонаполненная пена с практически неограниченной стойкостью (более одних-двух суток).

Этот пенный слой снижает до минимума теплоприток извне и препятствует проникновению паров горючего в надпенное пространство. При создании такого слоя на всей свободной поверхности СУГ или СПГ до  момента их воспламенения интенсивность их испарения снижается настолько, что концентрация горючего газа в воздухе над слоем пены уменьшается до значения меньше концентрации его воспламенения (ниже  4 %  объемных  для  метана,  и  2 %  – для пропан-бутановой смеси). А это, в свою очередь, означает, что аварийная ситуация становится пожаровзрывобезопасной. 

При этом должны быть выполнены три необходимых и достаточных условия:

1) скорость нарастания толщины пенного слоя больше скорости потока паров горючего вверх V_{пенн.сл} >V_{пот.п.г.г} (мм/с);

2) обеспечена требуемая толщина слоя пены – более 25–30 см;

3) струйки горючего газа не прорываются локально, сквозь отдельные "свищи" и разрывы в пенном слое.

Положительные результаты данных исследований показали возможность эффективного взрывопожаропредотвращения на объектах хранения, переработки и транспортировки СУГ и СПГ с помощью запатентованной технологии "замороженная пена" и установок подачи "гибридной пены" – типа УКТП "Пурга".

О результатах исследований многократно доложено на различного рода служебных совещаниях во ВНИИПО МЧС РФ, ГУПО МЧС РФ, а также на конференциях по пожарной безопасности, опубликовано более 50 статей, отчетов, получено около 40 патентов на изобретения в РФ.

Опубликовано в каталоге "Пожарная безопасность"

Изображение от freepik