Моделирование и стандартизация средств огнезащиты для углеводородного режима пожара

Огнезащита в НГК: постановка задачи

Опасные производственные объекты нефтегазового комплекса (НГК) – сложный комплекс технологических установок, зданий и сооружений, которые характеризуются высокой концентрацией горючих веществ и материалов, технологического оборудования и трубопроводов, отсутствием достаточных противопожарных разрывов, значительными горизонтальными и вертикальными размерами.

Объекты НГК в современных реалиях приближаются к населенным пунктам, либо к черте городской застройки (нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, включающими в свой состав товарно-сырьевые склады ЛВЖ, ГЖ и СУГ и магистральные трубопроводы. Аварии с пожарами и взрывами на морских нефтегазодобывающих платформах могут привести к катастрофическим последствиям, для ликвидации которых может потребоваться привлечение сил и средств на уровне одного или даже нескольких государств.

Для всех вышеперечисленных объектов установлен особый порядок разработки проектной документации, а также ее государственной экспертизы [1] и промышленные объекты, например, обращения СПГ – зона применения несущих конструкций и настилов, пределы огнестойкости которых следует рассчитать при условии воздействия углеводородного режима пожара (УГВ).

При этом в настоящее время в отечественной нормативно-технической литературе используется стандартный температурный режим для строительных конструкций нефтегазовых объектов. Тем не менее, при разработке специальных технических условий для объектов НГК в большинстве случаев есть требование к огнестойкости конструкций в условиях УГВ. За рубежом углеводородный режим пожара как модель проведения испытаний для конструкций в нефтегазовой промышленности используется примерно с 80-х годов прошлого века [2 – 8]. Задача в общем случае формулируется следующим образом и состоит из ряда подзадач:

  • моделирование развития «реального» режима пожара. Рассчитывается прогнозируемый радиус растекания горючих углеводородов, параметры теплового потока, для таких целей достаточно часто используется ПК FDS (рис.1), однако для наружного применения (развития пожара не в помещении) есть ряд допущений;
  • решение статической задачи для несущей конструкции с учетом ее температурного прогрева до критической температуры (теплотехническая задача);
  • обеспечение требуемого предела огнестойкости при действии проектной нагрузки и расчет необходимого и достаточного количества огнезащиты как при стандартном, так и при УВГ-режиме (в моделировании это не сложно сделать и позволяет существенно сэкономить при понимании распределения тепловых потоков при расчетном «реальном» пожаре).

Моделирование огнезащиты в режиме УГВ

Под руководством к.т.н, доцента Гравит М.В. специалисты Высшей школы промышленно-гражданского и дорожного строительства (ВШПГиДС) и кафедры «Гидроаэродинамика, горение и теплообмен» СПбПУ под руководством к.т.н, доцента Гравит М.В. производили такие расчеты для несущих конструкций многоэтажных модулей-эстакад заводов по производству и переработке СПГ и СГК (аналогов модулей на Ямале-СПГ и Арктик-СПГ) [5].

Модули состоят из несущих конструкций различного типа, в том числе с очень широкой толщиной стенок (10-40 мм) и настилов, на котором размещается оборудование (рисунки 2, 2а, 3).

Рисунок 2. Модули заводов по производству и переработке СПГ и СГК

Рисунок 2а. Модули заводов по производству и переработке СПГ и СГК

В качестве модельной огнезащиты принималась минеральная вата компании «Rockwool», для которой известны параметры теплоемкости и теплопроводности при различных температурах. Расчет пределов огнестойкости несущей конструкции при углеводородном режиме выполнен в ПК ANSYS (рисунок 3).

Рисунок 3 а. Расчетная модель тубы с утеплителем 20 мм:

а) общий вид модели (высота трубы 7 м), б) фрагмент конечноэлементной модели трубы 530 x10 мм, в) фрагмент конечноэлементной модели трубы 530 x40 мм (фрагмент) Результаты расчетов для прогрева трубы до критической температуры  – 300 °С.

Исходные данные. Труба бесшовная из стали (размеры по ГОСТ 32528-2013 «Межгосударственный стандарт. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные»): • толщина стенки 40 мм; наружный диаметр 530 мм, длина l = 7 м; • толщина стенки 10 мм; наружный диаметр 530 мм, длина l = 7 м (для сравнения); • материал: сталь углеродистая Ст30 (критическая температура t кри = 300 °С) • закрепление трубы: один конец защемлен, другой -свободен; • сила, равная P = 950 тонн, приложена сверху, направлена вертикально вниз; • конструкция считается центральносжатой; • начальная температура трубы и окружающего воздуха t= 20 °С; • температурный режим пожара: углеводородный режим по ГОСТ Р ЕН 1363- 2-2014; • приведенная толщина металла: 36,981 мм, площадь сечения 615,752 см.

 

Моделирование показало, что несущая конструкция с приведенной толщиной 36,8 мм имеет расчетную огнестойкость при стандартном пожаре 64 мин, 107 мин, 165 мин и при углеводородном режиме – 43 мин, 78 мин, 127 мин (для критической температуры 300 °С, 500 °С и 700 °С, соответственно). Таким образом, огнезащита необходима для обеспечения требуемой огнестойкости даже для такой массивной стальной конструкции. В таблице 1 приведены данные по расчету для незащищенной конструкции и с огнезащитой.

Конечно, расчеты должны быть подтверждены экспериментами, в концепции интерполяционного подхода, который, кстати, нормативно закреплен в п.4.11 ГОСТ Р 53295-2009.«Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности»: «при научно-техническом обосновании по инициативе заказчика на добровольной основе могут быть проведены дополнительные испытания… по расширенной программе на образцах колонн различной формы сечения, с различной приведенной толщиной металла.

 

Цель проведения данных испытаний – построение обобщенной зависимости толщины огнезащитного покрытия от приведенной толщины металла для различных значений времени достижения предельного состояния конструкции с конкретным средством огнезащиты. При построении указанных зависимостей допускается применять метод линейной интерполяции для заданного постоянного параметра (приведенная толщина металла, толщина огнезащитного покрытия, время) при наличии не менее трех экспериментально установленных значений двух других параметров. При этом экстраполяция не допускается».

Другими словами, чем больше экспериментов внутри интерполяционного отрезка совпадает с результатами вычисления, тем более точно выполнено моделирование, и тем более точно возможно прогнозирование поведения конструкции как с огнезащитой, так и без нее.

Также научный коллектив смоделировал экспериментальное исследование такого эффективного способа огнезащиты горизонтальных конструкций перекрытий со стальными балками как подвесной потолок – легкий, надежный и функциональный.

В работе [8] рассмотрены три конструкции огнезащитного подвесного потолка с силикатными плитами на цементном вяжущем и подробно описываются эксперименты с целью определения огнестойкости образцов.

Приведены результаты огневых испытаний подвесных потолков при создании стандартного температурного режима пожара. Получено, что конструкции, показавшие свою эффективность при стандартном режиме, не могут удовлетворить условиям углеводородного температурного режима.

Для эффективности при углеводородном режиме горения и изолирования балок от огня, помимо огнезащитных плит в конструкции потолка использована минеральная вата. Показано, что на момент окончания огневого воздействия предельное состояние по потере несущей способности и по потере целостности не зафиксировано, видимых изменений в течение времени проведения испытания не обнаружено.

На рисунке 5 приведено моделирование подвесного потолка в ПК SofistiK [4], при этом результаты моделирования показали хорошую сходимость с экспериментами [7].

Выбор материала огнезащиты

Средствами огнезащиты, применяемыми на конструкциях, которые могут подвергнуться УВГ, служат эпоксидные составы, такие как «ОГРАКС-СКЭ», FIRETEX M90, Pitt-Char, штукатурные, например, FENDOLITE MII и Pyrocrete 241 и конструктивные (плитные, листовые, рулонные) – Rockwool SeaRox, PROMATECT-H, ПРОМИЗОЛ-МИКС Проплейт, ПРОЗАСК Файерпанель и другие [2, 3, 8]. (Перечень достаточно объемный, достоверную информацию можно почерпнуть на сайтах Морского Регистра и ИНТЕРГАЗСЕРТ).

Тем не менее, для моделирования в настоящее время наиболее предпочтительными являются конструктивные средства огнезащиты.

Это, в основном, связано со стабильностью теплофизических характеристик материала, которые предоставляют производители, в результате данные расчета хорошо верифицируются с экспериментами.

Кроме того, конструктивная огнезащита дает более гарантированные показатели на Rн120, и более высокие пределы огнестойкости.

На рисунке 6 показана конструктивная многослойная рулонная огнезащита до и после испытаний на фоне других средств огнезащиты для УГВ, которые также прошли испытание. Фотографии сделаны в испытательном центре ФГБУ ВНИИПО МЧС России. 

Рисунок 5. Моделирование огнестойкого потолка в ПК SOFiSTiK

Стандартизация

Перечислим несколько актуальных направлений развития нормативного закрепления УГВ-режима для расчета строительных конструкций, в том числе с огнезащитой в России. Так, в комплекс стандартов ПАО «Газпром» «Система обеспечения пожарной безопасности» входит ряд проектов СТО по огнезащите: СТО «Газпром «Системы обеспечения пожарной безопасности. Системы противопожарной защиты. Тонкослойные вспучивающиеся огнезащитные покрытия», СТО «Газпром «Системы обеспечения пожарной безопасности. Системы противопожарной защиты. Тонкослойные вспучивающиеся огнезащитные покрытия». Общие технические условия» и СТО «Газпром «Системы обеспечения пожарной безопасности. Системы противопожарной защиты. Конструктивная огнезащита». Общие технические условия».

Рисунок 6. Конструктивная рулонная огнезащита

Данные стандарты будут инструментом для оценки соответствия средств огнезащиты в Системе добровольной сертификации ИНТЕРГАЗСЕРТ (зарегистрирована Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии от 28.10.2016 № РОСС RU.31570.04ОГН0) по направлению «Средства (оборудование) для пожарной безопасности в центральном органе системы «Производственная безопасность». Отметим, что во всех СТО «Газпром» относительно средств огнезащиты будут требования к показателям огнестойкости конструкций с учетом УВГ режима горения.

Аналогичные документы планируются к разработке в ПАО «НОВАТЭК»: СТО по нанесению (монтажу) огнезащитных материалов, в том числе с сохранением надежности конструкций с огнезащитой при криогенном воздействии.

В настоящий момент в открытом доступе выставлен лот № 0001-207-К-Н12- 04089-2020 «05-НИИ/НИОКР/05.2020 ТР «Обеспечение огнестойкости зданий на объектах организации системы «Транснефть» –выполнение технологической работы (ТР). Характеристика планируемого результата – типовые проектные решения огнезащиты несущих металлических конструкций и узлов сопряжения металлических конструкций зданий организаций системы «Транснефть».

 Согласно конкурсной документации: «Огнезащитные материалы для зданий с обращением нефти/нефтепродуктов должны обеспечивать требуемый предел огнестойкости несущих металлических конструкций (в т. ч. в составе узлов сопряжения металлических конструкций) при углеводородном температурном режиме по ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014 «Конструкции строительные. Испытания на огнестойкость. Часть 2 Альтернативные и дополнительные методы». Соответствие должно быть подтверждено сертификатами/декларациями».

Начальная цена лота – 26 млн. руб., и требуется, кроме расчетной оценки пределов огнестойкости конструкций различных зданий, проведение экспериментальных исследований и сертификация средств огнезащиты, однако количество типов конструкций и разнообразие средств огнезащиты четко не оговаривается. В связи с чем представляется, что участие в данном лоте располагается в серьезной зоне риска.

Сейчас в ТК 274 «Пожарная безопасность» обсуждается первая редакция ГОСТ Р «Средства противопожарной защиты зданий и сооружений. Средства огнезащиты. Методы контроля качества огнезащитных работ при монтаже (нанесении), техническом обслуживании и ремонте» (разработчик – ФГБУ ВНИИПО МЧС России).

Стандарт будет распространяться на все виды объектов огнезащиты: деревянные, стальные несущие, железобетонные несущие конструкции; кабельные линии; текстильные материалы. Методы контроля качества огнезащитных работ включают в себя: контроль по представленной документации, визуальный контроль, измерение толщины огнезащитного покрытия, методы контроля качества огнезащитных работ для различных видов огнезащиты, контроль качества огнезащитных работ с помощью методов термического анализа (сохранена авторская стилистика - прим. М.В. Гравит); контроль параметров окружающей среды.

Введено определение коэффициента вспучивания покрытия – к сожалению, температура в методе принята 600 °С, хотя при таких температурах пенококс уже «прожигается» и кратность вспучивания снижается, оптимально определять ее при 500 °С, что доказано в ряде работ [9]. Самое главное –вводятся общие положения по проектированию огнезащиты несущих стальных конструкций и то, что в государственном стандарте «допускается принимать критическую температуру стальных элементов равной 500 °С (по ГОСТ Р 53295), в случае невозможности определения исходных данных для прочностного расчета, а также при отсутствии необходимости производить расчет толщины огнезащиты в зависимости от напряженно-деформированного состояния конструкции».

Также регламентируются разделы проекта огнезащиты (введение, техническое задание, оценка огнестойкости несущих конструкций и т.д.) – что, безусловно, очень важно и давно было необходимым. Проект стандарта можно получить в ТК 274 и туда же следует отправлять замечания и предложения.

Таблица 1. Время достижения критической температуры

Заключение

В заключение необходимо отметить, что пока однозначные требования к пределам огнестойкости конструкций к воздействию углеводородного режима пожара в настоящее время присутствуют только для конструкций буровых платформ и морских установок, но при этом в крупнейших компаниях (ОАО «Газпром», ПАО «НОВАТЭК» и др.) разрабатываются собственные отраслевые стандарты, где показатели огнестойкости при углеводородном режиме пожара - среди требований к средствам огнезащиты строительных конструкций.

При проектировании объектов НГК происходит дифференцирование объектов защиты по возможному режиму пожара; требуется рассчитать и подтвердить экспериментальными данными пределы огнестойкости конструкций, поэтому моделирование воздействия пожара позволит: 1) выявить конструкции, которые будут быстрее терять надежность; 2) оптимально и эффективно применить соответствующий тип средства огнезащиты, рассчитать расход и стоимость средства для конструкций зданий и сооружений НГК.

Литература:

1. Гордиенко Д.М. Пожарная безопасность особо опасных и технически сложных производственных объектов нефтегазового комплекса. Дис. д.т.н. М., 2019. 340 с.

2. Гравит М.В. Углеводородный режим пожара – новый вызов для средств огнезащиты // Промышленные покрытия. 2017. № 7–8. Режим доступа: https://ogneportal.ru/articles/11924

3. Нормативные требования и методы испытаний конструкций при углеводородном режиме пожара. Часть 1 // Промышленные покрытия. Режим доступа: https://ogneportal.ru/articles/14403 2. Гравит М.В., Голуб Е.В., Антонов С.П. Огнезащитный штукатурный состав для конструкций в условиях углеводородного горения // Инженерно-строительный журнал. 2018. № 3(79). С. 86–94. 3. Абрамов И.В., Гравит М.В., Гумерова Э.И. Повышение пределов огнестойкости судовых и строительных конструкций при углеводородном температурном режиме // Газовая промышленность. 2018. № 5. С. 106 – 115.

4. Дринберг А.С., Гравит М.В., Зыбина О.А. Огнезащита конструкций интумесцентными лакокрасочными материалами при углеводородном режиме пожара // Лакокрасочные материалы и их применение. 2018. №1-2. С.44 – 49. 5. Gravit M., Zimin S., Lazarev Y., Dmitriev I., Golub E. (2020) Fire Simulation of Bearing Structures for Natural Gas Module Plant. In: Popovic Z., Manakov A., Breskich V. (eds) VIII International Scientific Siberian Transport Forum. TransSiberia 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 111

6. Springer, Cham DOI: 10.1007/978-3-030-37919-3_36

7. Gravit M., Dmitriev I., Lazarev Y. (2019) Validation of the Temperature Gradient Simulation in Steel Structures in SOFiSTiK. In: Murgul V., Pasetti M. (eds) International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies EMMFT 2018. EMMFT-2018 2018. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 983. Springer, Cham DOI https://doi.org/10.1007/978-3-030-19868-8_92 8. Gravit, M.V., Golub, E.V., Grigoriev, D.M., Ivanov, I.O. Fireproof suspended ceilings with high fire resistance limits. Magazine of Civil Engineering. 2018. 84(8). Pp. 75–85. doi: 10.18720/MCE.84.

8. https:// engstroy.spbstu.ru/userfiles/files/2018/8(84)/08.pdf 9. Крашенинникова М.В. Повышение пределов огнестойкости стальных строительных конструкций огнезащитным вспучивающимся покрытием с повышенной атмосферостойкостью : Дис. ... кандидата технических наук : 05.26.03 / Крашенинникова Марина Викторовна; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т ГПС МЧС России].  – Санкт-Петербург, 2007. - 104 с.

 

Марина Гравит, к.т.н., доцент по специальности «Пожарная и промышленная безопасность», доцент ВШПГиДС ИСИ (Высшая школа промышленно-гражданского и дорожного строительства Инженерно-строительного института) ФГОАУ ВО «СПбПУ Петра Великого», член-корреспондент НАНПБ, эксперт СДС ИНТЕРГАЗСЕРТ.