УДК 614.841.22

Определение температуры самовоспламенения сжиженных углеводородов на газонаполнительных станциях

Шевченко Александр Сергеевич – студент магистратуры Академии государственной противопожарной службы МЧС России.

Борисова Софья Валентиновна – магистр Академии государственной противопожарной службы МЧС России.

Аннотация: В статье рассматривается методика оценки температуры самовоспламенения сжиженных углеводородов (далее – СУГ). Представлены характеристики каждого из веществ, обращающиеся на ГНС. Приведена методика определения температуры самовоспламенения (далее – ТС) СУГ согласно требований нормативной документации. Описан порядок экспериментального определения ТС СУГ с указанием полученных данных.

Ключевые слова: самовоспламенение, метод экспериментального определения, температура самовоспламенения.

В качестве примера объекта защиты выбрана газонаполнительная станция (далее – ГНС) г. Волгодонска Ростовской области. Опасное вещество, которое обращалось в данном технологическом процессе, представлено таким веществом, как ГНС - смесь пропан-бутана. Основные показатели пожарной опасности данной смеси в нормативной документации не приводятся.

В целях обеспечения максимальной пожарной безопасности на объекте, а также определения наиболее вероятного возникновения самовоспламенения газовоздушной смеси при эксплуатации технологического оборудования, необходимо провести эксперимент по определению реальной температуры самовоспламенения СУГ. Основные характеристики каждого из веществ, обращающиеся на ГНС показаны в таблице 1 [1].

Таблица 1. Характеристики СУГ.

1.Требования нормативной документации при проведении эксперимента по определению температуры самовоспламенения СУГ

В ГОСТ 12.1.044-2018 [2] содержится указание на метод, направленный на то, чтобы экспериментальным путем определить температуру самовоспламенения СУГ в закрытом тигле.

Основные положения

В анализируемом стандарте прописаны ключевые методы, которые можно применять в целях определения температуры самовоспламенения газа или пара в воздухе при условии оптимального атмосферного давления. Системный анализ документа показывает, что этот метод в практической деятельности должен быть реализован в диапазоне температур от 25 до 600°С. Данный метод находится в полном соответствии с положениями ГОСТ 30852.5. Стоит отметить, что значение температуры

самовоспламенения применяется в целях определения группы взрывоопасной смеси, в том числе, в рамках подбора типа электрооборудования, которое защищено от взрывов. Кроме того, указанный метод вполне может быть применен в рамках разработки мероприятий, которые направлены на то, чтобы обеспечить безопасность всех технологических процессов от пожаров и взрывов.

Испытательное оборудование

В целях проведения испытаний данного вида стоит применять печи, конструкция которых находится в соответствии с положениями ГОСТ 30852.5. Одновременно с этим, допускается применять и такие аппараты, которые имеют схожие характеристики, в том числе, в части равномерности нагрева испытательной колбы, если расхождения значений не будут больше максимально допустимых. Для того, чтобы надлежащим образом определить температуру, при которой осуществляется самовоспламенение, применяемое испытательное оборудование должно в обязательном порядке включать в себя следующие структурные элементы:

Испытательная колба - колба Erlenmeyer, которая имеет вместимость 200 см. и сделана из боросиликатного или кварцевого стекла (Кн-200 по ГОСТ 19908). Стоит отметить, что в целях испытаний стоит применять колбу, которая является чистой с химической точки зрения.

Воздушный нагревательный термостат. Он направлен на обеспечение равномерного нагрева всей частей колбы до изначально заданной температуры посредством независимой регулировки всех нагревателей. В целях измерения температуры самой колбы, активно применяют несколько калиброванных термоэлектрических преобразователя с диаметром рабочего спая не менее 0.8 мм. Они располагаются в определенных точках в контакте с внешней стороной колбы.

Для того, чтобы обеспечить удобство за тем, каков внутренний объем колбы, на высоте 250 мм. над колбой, на крыше печи, необходимо закрепить специальное зеркало (Рисунок 1).

Рисунок 1. Воздушный нагревательный термостат.

В целях дозированной передачи газов стоит использовать газонепроницаемый стеклянный калиброванный шприц, который имеет общую вместимость около 200 см. (при цене деления не более 10 см.), который снабжен трехходовым краном (Рисунок 2).

Рисунок 2. Схема дозированной подачи газов.

Для того, чтобы обеспечить дозированную подачу жидкости, применяют:

Шприц, который имеет вместимость 0,25 или 1 см (при цене деления не превышающей 0,01 см.), который имеет стальную иглу не подвержен коррозии, имеет диаметр отверстия, не превышающий показатель в 0,15 мм.

Аттестованную мерную пипетку, вместимость которой не превышает 1 см. и позволяющая выпустить порядка 1 см. дистиллированной воды при значении комнатной температуры от 35 капель до 40 капель соответственно. В данном случае допустимо использовать и иные дозирующей средства, если они способны обеспечить данные параметры. 

Кроме непосредственно испытательного оборудования применяют приборы следующего вида:

• Таймер, который необходим для того, чтобы определить период в сфере индукции самовоспламенения, погрешность около 1 см.
• Устройство, с помощью которого можно чистым воздухом продуть реакционный сосуд.
• Барометр, который имеет погрешность измерений, не превышающую показатель в 0,1кПа.

Подготовка оборудования

Термостат необходимо установить на достаточно устойчивой горизонтальной поверхности. Само мероприятие по испытанию стоит провести в комнате с затемнением, что необходимо для повышения эффективности наблюдения за самовоспламенением. В рамках работы в вытяжном шкафу необходимо поддерживать такую скорость для движения воздуха, при которой над горлом сосуда не будет какого-либо ощутимого движения. Также стоит учитывать тот факт, что в рамках деятельности, направленной на подготовку всех приборов для испытания, стоит выполнять требования изготовителя по эксплуатации инструментов и приборов.

Пригодность аппаратуры к тому, чтобы нагреть колбу на равномерной основе, равно как верность проведения непосредственных испытаний, можно расценивать как удовлетворительные в том случае, если фактические значения температуры самовоспламенения находятся в полном соответствии с данными, которые отражены в справочных материалах с допустимыми отклонениями в части воспроизводимости и сходимости данного метода. 

Образцы для испытаний

Образцы в обязательном порядке хранят в таре, которая должно плотно закрываться, ее открытие допустимо только на весьма незначительные промежутки времени, в частности, в целях отбора пробы. Перед отбором пробы жидких продуктов, их стоит перемещать осторожно, как правило, их немного встряхивают. Перед тем, как отобрать пробу стоит убедиться в том, что образец соответствует паспорту на данное вещество. В том случае, если оно выступает в качестве жидкости с температурой кипения, достаточно близкой к температуре окружающей среды, вещество охлаждают, а необходимость в этом обусловлена тем, что это позволит не допустить существенного изменения агрегатного состояния до того момента, пока вещество не будет введено непосредственно в колбу. Кроме того, именно таким способом можно получить правильную дозировку.

Вещества, которые имеют структуру пасты, а также вязкие и твердые вещества стоит нагреть до температуры разжижения или применять их в твердом виде, с подготовленными навесками. Это необходимо для того, чтобы обеспечить правильное дозирование.

Проведение испытания

Суть анализируемого метода заключается в том, что пробу вещества в заранее определенном объеме вводят в нагретую и открытую колбу и затем осуществляют наблюдение за тем, имеет ли место самовоспламенение. Испытание можно проводить с различными температурами и с различными объемами пробы. Самую маленькую температуру колбы, при которой имеет место самовоспламенение, принимают как факт самовоспламенения в условиях атмосферного давления.

Чистая реакционная колба размещается внутри воздушного термостата, после чего необходимо провести установку термоэлектрических преобразователей и осуществляют проверку того, есть ли контакт внешней поверхности колбы и рабочих спаев соответственно. Затем включается нагрев термостата. Колба будет нагреваться до той температуры, которая необходима в целях проведения испытания, а все показания термопар перед началом испытательных действий должны иметь значения ±1°С от испытательной температуры в период, не меньше одной минуты. Затем вводят пробу вещества в данную колбу. Стоит отметить, что если речь идет о жидком веществе, то его пробу стоит вводить в центральную часть данной колбы, а период ввода не должен превышать 2 секунды. Вещество на стенки колбы в данном случае попадать не должно. После того, как была введена проба, из колбы извлекают дозирующее вещество.

Газообразные пробы достаточно равномерно вводят путем герметичного шприца, который предварительно наполнен, скорость введения в данном случае порядка 2·10 м /с.

Пробы тех веществ, которые имеют вязкость, вводят в колбу путем использования алюминиевой фольги. Стоит отметить, что в момент окончания ввода пробы запускается таймер и наблюдают за тем, какая реакция начинается в колбе, наблюдение осуществляется ровно до того момента, когда произойдет хлопок или начнется пламя. В указанный момент таймер необходимо остановить и регистрировать период индукции самовоспламенения. Так, если в течение 5 минут пламени не было, то испытание вполне можно признать законченным. Также стоит отметить, что после каждого проведенного испытания колбу в обязательном порядке продувают воздухом, так как это позволяет ей принять для испытания необходимую температуру. При загрязнении колбы ее надо промыть или заменить на чистую колбу. Также для каждого нового вещества меняют сосуд, меняют его и для проведения заключительно испытания, что также имеет высокую значимость.

Как уже отмечалось ранее, мероприятия по испытаниям проводят при разных показателях температуры, а также с применением различных объемов проб, так как только это позволит определить минимальные температурные показатели, при которым можно наблюдать самовоспламенение. В целях ее определения на первоначальном этапе, стоит проводить и первичные испытательные мероприятия. Так, для достижения указанной цели, на нескольких пробах первичного объема, при условии изменения температуры испытания ступенчатым подходом, определяют минимальные показания температур, при которых можно наблюдать самовоспламенение, а также температуру, на 5°С ниже которой самовоспламенения нет. Отметим, что оптимальная величина первичной пробы в целях проведения предварительного испытания составляет: жидкостей - 0,4 см , газов - 20 см , вязких и твердых веществ - массой 0,2 г. Затем данные показатели можно увеличивать, так как испытание будет переходить на другую ступень. При этом, механизм проведения испытания остается прежним, что также весьма характерно и для ступенчатого подхода.

В зависимости от того, какие данные были получены, формируют график, который отражает наличие прямой зависимости объема пробы и показателя температуры самовоспламенения (Рисунок 3). Отметим, что объем пробы, который соответствует минимуму на данном графике, является таким значением, которое характеризуется как наиболее самовоспламеняющееся количество вещества, исследуемого в испытании.

Рисунок 3. График зависимости объема пробы от температуры самовоспламенения.

 Завершающие испытания проводят уже с определенным на первом этапе количеством, интервалы на этом этапе не будут превышать 2°С. Все испытания можно признать законченными лишь после того, как определена наименьшая температура самовоспламенения, а также они заканчиваются при температуре, которая ниже на 2°С и при которой самовоспламенения не наблюдается, даже если испытание проведено не менее 5 раз подряд.

Оценка результатов испытаний

Таким образом, за температуру, при которой имеет место самовоспламенение, стоит принимать минимальные температурные значения испытания, при которой можно было установить самовоспламенение образца на заключительном этапе. Необходимо зафиксировать важнейший показатель, который представлен периодом индукции самовоспламенения, принимать во внимание критерии и основные показатели давления среды. Стоит отметить, что сходимость метода в данном случае при доверительной вероятности 95% едва ли может превышать значение в 2%. В свою очередь, воспроизводимость данного метода в рамках доверительной вероятности 95% едва ли будет превышать показатель в 5%.

Оформление протокола испытаний

Полученные результаты, а также все условия проведения испытания в обязательном порядке должны находить свое отражение в протоколе. Протокол должен содержать обязательные данные, такие как: данные о лаборатории, условия испытаний, полученные значения, данные об образце и оборудовании. Также указывают данные о лицах, которые проводили испытания и характерные особенности такового.

Требования безопасности

Термостат в обязательном порядке устанавливают в вытяжном шкафу. Оператор, который проводит испытания, должен находиться на специально оборудованном рабочем месте, которое в полной мере отвечает санитарно-гигиеническим требованиям и требованиями в области электробезопасности.

2. Эксперимент по определению температуры самовоспламенения СУГ

На базе Федерального государственного бюджетного учреждения «Судебно-экспертное учреждение федеральной противопожарной службы «Испытательная пожарная лаборатория» по Ростовской области» проведены испытания по определению температуры самовоспламенения СУГ при следующих условиях:

• температура в помещении 24 °С;
• относительная влажность 47%;
• атмосферное давление 760 мм рт. ст.

В качестве испытательного и измерительного оборудование была использована установка для испытаний температуры самовоспламенения газов и жидкостей со следующими характеристиками:

• год выпуска – 08.2012;
• заводской номер - 030;
• свидетельство о поверке от 09.11.2023 года № С-ГУА/09-11-2023/293408660.
• мощность электрического нагревателя, кВт – 1,5;
• максимальная температура в реакционной камере °С - 600;
• время достижения температуры 600 °С в реакционной камере, мин – 120;
• объём колбы для испытания – 200 мл.

Методика испытания

Проба исследуемого вещества в количестве 25 см³ вводится в центр нагретой колбы, не касаясь ее стен за время не более 2 секунд. Дозирующее устройство отводят сразу после ввода. По окончанию ввода пробы в колбу, сразу включается секундомер и наблюдают за тем, что происходит с содержимым колбы до появления взрыва или пламени. Если их не наблюдается, то через 5 минут секундомер останавливают и испытание можно признать завершенным.

Испытания повторяются через интервал в 2 секунды пока не произойдет самовоспламенение (Рисунок 2).

Основной продукт - смесь пропана и бутана технических.

 

Рисунок 4. Экспериментальное определение ТС СУГ.

Вывод

Температура самовоспламенения представленной пробы смеси пропана и бутана технических, отобранной из емкости № 6595/А на базе хранения ГНС г. Волгодонска Ростовской области, составила 408°С.

Экспериментальные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2. Экспериментальные показатели ТС СУГ.

Список литературы

1. Баратов А.Н., Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: часть II.
2. Межгосударственный стандарт. Система безопасности стандартов труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы определения.