EA001882B1 - Труба или рукав, способный выдерживать тепловую нагрузку с очень высокой плотностью теплового потока - Google Patents

Abstract

Предложена труба или рукав (10), предназначенные, главным образом, для использования в системах пожаротушения и способные выдерживать воздействие тепловых нагрузок с высокой плотностью теплового потока. Труба или рукав имеют внутренний, выполненный в виде трубы, слой (11) из резины и внешнюю оболочку (12) с отверстиями, которая окружает снаружи плотно примыкающий к ней слой (11) резины. Отверстия в оболочке (12) расположены рядом друг с другом и имеют ограниченную площадь поперечного сечения таким образом, что протекающая через трубу или рукав (10) и имеющая избыточное давление жидкость проходит в прямом контакте с оболочкой (12) через образующееся в слое резины и оболочке и выполняющее функцию сопла отверстие наружу и за пределами оболочки образует свободную струю жидкости. При использовании такой трубы или рукава в качестве трубопровода системы пожаротушения или для другой связанной с тушением огня цели эта труба или рукав приобретает свойство самоуплотняться и самозащищаться и выдерживает тепловую нагрузку с характерной для факелов пламени тепловой плотностью, которая может достигать приблизительно 500 кВт/м, поддерживая в течение всего времени тушения огня давление и расход жидкости в системе на неизменном уровне.

Description

Настоящее изобретение относится к трубе или рукаву, предназначенному, главным образом, для использования в системах пожаротушения и способного выдерживать тепловую нагрузку с очень высокой плотностью теплового потока.

Возникновение пожара сопровождается не только значительным повышением температуры в зоне пожара, но и возникновением различных тепловых потоков с высокой тепловой плотностью, которая зависит от характера пожара. При медленно развивающемся пожаре, возникающем при воспламенении твердых топлив, или при так называемом целлюлозном пожаре температура в зоне огня увеличивается постепенно и через 60 мин достигает 900°С, а после 120 мин возрастает до 1050°С и после 240 мин с начала пожара увеличивается до 1150°С. Плотность теплового потока при этом в среднем составляет 60 кВт/м² и может достигать 100 кВт/м². При воспламенении нефтепродуктов или жидких углеводородов температура в зоне пожара растет значительно быстрее и достигает 1150°С через 20 мин. Плотность теплового потока при таком пожаре намного выше, чем при целлюлозном пожаре, и составляет в среднем 200 кВт/м² при пиковом значении около 225 кВт/м². Самым сложным считается так называемый факельный пожар, который возникает при воспламенении природного газа и различных конденсатов в условиях повышенного давления, в частности пожар, возникающий на суше или на море при воспламенении находящегося в природных коллекторах газа. Такого рода пожар, который может возникнуть и на морских платформах, и на наземных сооружениях, используемых для добычи нефти и газа, может привести к самым катастрофическим последствиям и гибели большого количества людей. При таком факельном пожаре температура растет очень быстро и в течение 10-15 с достигает 13001400°С, а плотность теплового потока составляет обычно 360 кВт/м² и может достигать 500 кВт/м².

При проведении различных работ, связанных с добычей нефти и газа на море и на суше, необходимо соблюдать очень строгие требования по пожаробезопасности и пожарозащищенности, и поэтому морские платформы обычно оборудуются самыми совершенными системами пожаротушения, которые работают с большими объемами морской воды и имеют разветвленную сеть трубопроводов, охватывающую самые различные места платформы. Помимо наиболее часто используемых для изготовления трубопроводов в существующих в настоящее время обычных системах пожаротушения различных стальных труб в последнее время из-за проблем, связанных с коррозией трубопроводов под действием агрессивной морской воды, содержащей большое количество солей, стали использовать и другие более коррозионно-стойкие материалы, такие как высоколегированная кислотостойкая сталь марки 8ΜΘ, или более дорогие металлы, такие как титан или медно-никелевые сплавы.

Все реально используемые в настоящее время для этой цели металлические материалы обладают, однако, ограниченной коррозионной стойкостью. Кроме того, такие металлические материалы и сплавы имеют очень большую стоимость, которая в первую очередь определяется стоимостью исходного сырья, из которого их получают. Высокая стоимость изготовления и сборки элементов трубопровода, изготовленных из таких материалов, определяет необходимость в использовании для этих целей других более дешевых материалов с высокой коррозионной стойкостью.

В отдельных случаях в нефтяной и газовой промышленности, в частности на морских платформах и при строительстве других аналогичных сооружений, для изготовления трубопроводов в последнее время стали использовать полимерные материалы, такие как армированные стекловолокном эпоксидные смолы. По стоимости сами по себе пластмассовые трубы вполне конкурентоспособны с трубами из металла, однако монтаж трубопроводов из таких труб связан с необходимостью выполнения весьма трудоемких и требующих высокой точности работ и широкого использования даже в самых простых случаях при их применении на морских или других аналогичных установках изоляции, защищающей их от воздействия огня. Все это, как очевидно, существенно усложняет весь процесс монтажа трубопроводов и увеличивает затраты на их обслуживание и ремонт. Трубы из таких пластмасс имеют разную степень сопротивления воздействию на них факелов пламени, а повышение их огнестойкости при факельном пожаре требует принятия дополнительных мер для их защиты, что связано с увеличением веса трубопровода и его стоимости.

Одним из требований, предъявляемых к системе пожаротушения или любой другой системе трубопроводов, создаваемой для защиты от пожара, является ее способность к подаче до полного тушения пожара в различные точки объекта, на котором она смонтирована, используемой для тушения пожара жидкости под давлением и в количестве, которые определяются возможностями установленных в системе насосов. В такой системе распыляемая всеми имеющимися в ней насадками жидкость не только обеспечивает тушение огня, но и препятствует его распространению. Для поддержания до полного тушения факельного пожара необходимого давления на входе во все насадки системы, в том числе и в расположенные в наиболее удаленных от насосов местах, система используемых для тушения пожара трубопроводов должна либо абсолютно, либо по существу полностью оставаться герметичной вплоть до момента полного окончания работ по тушению огня.

При проведении работ по созданию описанных в заявке 8Е-Л-9703109-0 Соггозюп- апб Нге-РейЧагИ Р1ре 8у51ет (Коррозионные и огнестойкие трубопроводы) гибких коррозионно-стойких труб из армированной резины, способных заменить на морском транспорте и при добыче нефти и газа в открытом море коррозионно-стойкие трубы из металла и пластмассы, были проведены исследования труб с так называемой огнезащитной оболочкой из металлической ткани. Испытания таких труб на специальной установке на их огнестойкость под действием факелов пламени показали, что использование оболочки из металлической ткани позволяет изготовить самоуплотняющуюся и самозащищенную трубу, которая обеспечивает прокачку через нее находящейся под избыточным давлением жидкости и хорошо выдерживает тепловые нагрузки от факелов пламени с очень высокой плотностью теплового потока.

При проведении этих исследований было также обнаружено одно до сих пор не известное и не описанное явление, связанное с определенными конструктивными особенностями внутреннего слоя арматуры, использование которого вместе с одним или несколькими другими слоями арматуры позволяет изготовить изделие из слоев резины и слоев арматуры с изгибной жесткостью, характерной для обычной трубы. Реализация таких конструктивных особенностей внутреннего слоя арматуры, которые носят принципиальный характер, позволяет также изготовить самоуплотняющуюся и самозащищенную трубу или рукав, который независимо от того, каким образом обладающий такими особенностями материал сочетается с другими внешними слоями, можно использовать в системах пожаротушения или в других целях, связанных с защитой от действия огня.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача создать трубу или рукав, которая/который была/был бы защищена/защищен от воздействия огня и предназначалась/предназначался бы, главным образом, для использования в системах пожаротушения, выдерживая воздействие тепловых нагрузок с очень высокой плотностью теплового потока, характерных для так называемого факельного пожара, и выполняя функцию трубы или рукава для перекачки используемой для тушения огня жидкости, обычно морской воды, к месту возникновения пламени в течение, по существу, неограниченного промежутка времени или в течение, по крайней мере, такого времени, которое необходимо для полного тушения пожара.

Отличительной особенностью предлагаемых в изобретении труб или рукавов является то, что они состоят из внутреннего имеющего форму трубы слоя резины и охватывающей его и прилегающей к нему снаружи перфорированной оболочки. Отверстия в перфорированной оболочке расположены рядом друг с другом и имеют ограниченную площадь поперечного сечения, при этом перекачиваемая по трубе или рукаву под избыточным давлением жидкость может проходить через отверстия оболочки в непосредственном с ней контакте, образуя под действием эффекта сопла на выходе из отверстия сплошную когерентную свободную струю. Такие трубы или рукава можно использовать в системах пожаротушения, поскольку они обладают способностью к самоуплотнению и к самозащите от внешнего воздействия пламени, выдерживают при факельном пожаре тепловую нагрузку с плотностью теплового потока свыше 500 кВт/м² и позволяют в течение всего времени тушения пожара поддерживать в трубопроводе необходимые для тушения огня избыточное давление и расход воды.

Оболочку предпочтительно изготовить из обладающего хорошей теплопроводностью металла, предпочтительно из жаропрочной стали, или из теплостойкого композитного материала, предпочтительно из материала на основе углеродного волокна, такого как Кеу1аг. Оболочку можно изготовить из сетки или из другого материала с отверстиями соответствующего размера, имеющего плетеную, намотанную, вязаную структуру или структуру вышитой ткани. Перфорированную оболочку можно также выполнить в виде одного имеющего форму рукава элемента с отверстиями, выполненными в нем механическим путем или образованными непосредственно в процессе изготовления рукава, например, при его изготовлении литьем под давлением или иным способом.

Предлагаемые в изобретении трубы или рукава предназначены, главным образом, для использования в системах пожаротушения, а также в системах трубопроводов на морских или шахтных установках и в других аналогичных областях, где имеются трубопроводы, которые должны монтироваться в тяжелых для работы условиях и должны обладать высокой коррозионной стойкостью, высокой ударостойкостью и большим сроком службы.

Способность описанной выше трубы или рукава к самоуплотнению и самозащите непосредственно связана с наличием в ней внутреннего слоя резины и охватывающей его перфорированной оболочки. Самоуплотняемость и самозащита трубы означают, что при воздействии на трубу или рукав факелов пламени или при нагревании до высокой температуры по какой-либо иной причине все образовавшиеся в стенке трубы или рукава под влиянием внешних условий отверстия самоуплотняются и временно защищаются от воздействия пламени протекающими через них струями воды, которые оказывают местное воздействие на пламя и снижают температуру пламени, пока образовавшиеся таким образом сквозные отверстия не закроются. Теоретическое обоснование этого явления изложено ниже. Предлагаемое в настоящем изобре тении сочетание слоев резины и арматуры может быть использовано в самых разных типах труб и рукавов, при этом, однако, внешние слои трубы или рукава не обязательно должны быть выполнены так же, как и их внутренние слои, поскольку они не должны обладать такой же стойкостью к воздействию факелов пламени, а должны придавать трубе или рукаву другие определенные свойства. При этом предполагается, что при нагревании до температуры, характерной для факельного пожара, внешние слои трубы или рукава будут сгорать сравнительно быстро.

В системах пожаротушения, например, на нефтедобывающих платформах в качестве труб можно использовать коррозионно-стойкие трубы, предложенные в упомянутой выше заявке. Внутренний слой арматуры в таких трубах можно, выполнив в нем отверстия в соответствии с настоящим изобретением, использовать в качестве оболочки предлагаемой в настоящем изобретении трубы или рукава. В объеме настоящего изобретения в таких трубах оболочку внутреннего слоя резины можно выполнить иным способом, а для придания трубе необходимой изгибной жесткости использовать один или несколько отдельных слоев арматуры, не имеющих создающих эффект сопла отверстий.

Механизм самоуплотнения и самозащиты предлагаемой трубы связан с явлением, которое до сих пор до конца не исследовано и не имеет окончательного теоретического обоснования. В настоящее время это явление подтверждено экспериментально результатами многочисленных опытов, проведенных на специальной предназначенной для проведения различных исследований в условиях факельного пожара установке, созданной на заводе ТгсПсЬогд VIк1пд в М|опба1сп. Норвегия, которые документально зафиксированы, в том числе и на видеопленке. Наличие такой отчетной документации позволяет при необходимости всегда воспроизвести любой из проведенных опытов.

При проведении экспериментальных исследований было установлено, что в результате воздействия факелов пламени на предлагаемую в изобретении обладающую способностью к самоуплотнению трубу, через которую во время опыта под давлением прокачивали воду, у трубы сравнительно быстро сгорают все внешние слои резины и арматуры, после чего обнажается перфорированная оболочка ее внутреннего резинового слоя. Под действием большой тепловой нагрузки, создаваемой факелами пламени, для которых характерна высокая плотность теплового потока (достигающая приблизительно 500 кВт/м²) в отдельных местах внутреннего слоя, примыкающих к отверстиям перфорированной оболочки, резина начинает плавиться, и в этих местах трубы образуются сквозные отверстия, через которые как через сопла из трубы наружу отдельными струями начинает вытекать вода, которая при ее попадании в пламя интен сивно снижает его температуру. По истечении небольшого промежутка времени, составляющего обычно от 10-20 с до 1-2 мин, образовавшиеся в слое резины отверстия начинают постепенно заполняться нагретой резиной, расположенной внутри оболочки рядом с ними, и вытекающие из отверстий струи воды постепенно становятся все тоньше и тоньше и затем исчезают окончательно.

Такое явление при воздействии на трубу факелов пламени продолжается достаточно долго, и проведенные опыты, которые показали, что давление воды в трубопроводе в это время практически не падает, это полностью подтвердили. При постоянном давлении воды в трубопроводе системы пожаротушения давление на входе в разбрызгивающие воду насадки остается постоянным, а расход протекающей через них и используемой для тушения пожара воды уменьшается очень незначительно. Иначе говоря, в течение всего времени тушения пожара трубопровод системы пожаротушения, изготовленный из предлагаемых в изобретении труб, обеспечивает непрерывную подачу к насадкам воды или другой используемой для тушения пожара жидкости без всякого заметного падения давления в системе и без всякого заметного уменьшения расхода воды, которое могло бы привести к снижению эффективности всего процесса тушения пожара. При этом жидкость, вытекающая из трубы или рукава в виде отдельных струй через образовавшиеся в трубе в результате нагревания резины сквозные отверстия, подобные насадкам, не только обеспечивает необходимое местное охлаждение трубы или рукава, но и снижает в этом месте температуру пламени.

В этой связи следует кратко упомянуть о некоторых безусловно представляющих интерес соображениях теоретического порядка, объясняющих механизм самоуплотнения и самозащиты предлагаемой трубы. При нагревании предлагаемой трубы внутренний слой резины приобретает такую консистенцию, при которой резина под действием давления жидкости смещается в зону образовавшегося в трубе сквозного отверстия, через которое как через сопло вытекает струя жидкости, охлаждая резину, которая под действием давления жидкости постепенно заполняет отверстие, уменьшает его размер, уменьшая одновременно напор вытекающей из отверстия струи воды, и останавливает струю. При слишком большом с точки зрения получения эффекта сопла размере отверстий в оболочке жидкость свободно безо всякого напора и медленно вытекает через образовавшееся в этом месте трубы под действием высокой температуры сквозное отверстие и не образует струи в окружающем трубу пламени. При этом резина в зоне отверстия должным образом не охлаждается и не затвердевает, и размер отверстия не только не уменьшается, а продолжает быстро увеличиваться, в результате чего внутренний слой резины полностью разрушается, а давление в трубе и расход жидкости постепенно падают до нуля.

Ниже приведено подробное описание предпочтительного варианта выполнения предлагаемой в изобретении трубы, общий вид которой с частично срезанными слоями показан на приложенном к описанию чертеже.

Показанная на этом чертеже предлагаемая в изобретении труба 10 предназначена для использования в системе пожаротушения нефтедобывающей морской платформы. Труба 10 состоит из пяти отдельных слоев 11-15. Самый внутренний слой 11 имеет толщину от 3 до 5 мм и изготовлен из резины, в качестве которой можно использовать хлоропреновую резину, СКЭПТ-каучук или другую аналогичную резину. Внутренний слой резины заключен в оболочку 12 с отверстиями, которые расположены рядом друг с другом по всей поверхности оболочки. Размер поперечного сечения этих отверстий выбирается в зависимости от давления жидкости, размеров трубы и требований, предъявляемых к системе пожаротушения, в которой она используется. В частности, при давлении жидкости от 1,5 до 100 бар диаметр отверстий составляет от 0,1 до 10 мм. Показанная на чертеже оболочка 12 выполнена в виде металлической сетки, хотя фактически она может, как уже было сказано выше, иметь и другую форму. Перфорированная оболочка 12 может также выполнять функции армирующего слоя, образованного расположенными под углом и идущими в противоположных направлениях армирующими проволоками, придающими трубе определенную изгибную жесткость и обеспечивающими одновременно эффективную защиту трубы от факелов пламени вытекающими из трубы струями жидкости, скорость и характер истечения которых обеспечивают снижение температуры пламени. Снаружи перфорированная оболочка 12 окружена еще одним слоем 13 резины, в качестве которой можно использовать обладающую теплоизоляционными свойствами негорючую резину, например резину марки VIΚΙΝΟ ΝΟΕΕΑΜΕ 815 или 915. Поверх слоя 13 резины расположен слой 14 арматуры, состоящий из армирующих проволок, расположенных к продольной оси трубы под углом, при котором труба приобретает определенную прочность на изгиб или изгибную жесткость. Поверх слоя 14 арматуры расположен еще один слой 15 резины, которая придает трубе определенные свойства, например, делает поверхность трубы огнестойкой, не выделяющей при нагревании дыма или токсичных газов и дополнительно изолирующей трубу от воздействия пламени. Размер отверстий в армирующем слое также зависит от давления жидкости, от размеров трубы и от требований, предъявляемых к системе пожаротушения, в которой используется труба, и обычно площадь поперечного сечения каждого такого отверстия лежит в пределах от 0,20 до 10 мм².

Claims (6)

1. Труба или рукав (10), предназначенная(ый) для использования в системах пожаротушения или для другой связанной с тушением огня цели, способная(ый) выдерживать тепловую нагрузку с высокой плотностью теплового потока, которая(ый) содержит внутренний в виде трубы слой (11) резины и окружающую этот слой (11) резины и плотно примыкающую к нему перфорированную оболочку (12) с отверстиями, расположенными рядом друг с другом таким образом, что протекающая через трубу или рукав (10) и имеющая избыточное давление жидкость при прохождении через отверстия, образующиеся в результате нагревания в слое (11) резины и оболочке (12) и выполняющие функцию сопла, контактирует с оболочкой (12) с образованием свободной струи за пределами оболочки (12), причем такая труба или рукав (10) обладает свойством самоуплотнения и самозащиты и обеспечивает противостояние тепловой нагрузке с характерной для факелов пламени тепловой плотностью, которая может достигать приблизительно 500 кВт/м², и поддержание в течение всего времени тушения огня давления и расхода жидкости в системе на неизменном уровне.

2. Труба или рукав по п.1, отличающаяся(ийся) тем, что оболочка (12) изготовлена из металла, предпочтительно из жаростойкой стали, или из композитного материала, предпочтительно из материала типа Кеу1ат на основе углеродного волокна.

3. Труба или рукав по пп.1 и 2, отличающаяся(ийся) тем, что оболочка (12) изготовлена из проволок или лент, которые намотаны, связаны, переплетены или иным способом объединены друг с другом и расположены относительно друг друга под углом.

4. Труба или рукав по пп.1 и 2, отличающаяся(ийся) тем, что оболочка (12) выполнена в виде одного связанного элемента с отверстиями, которые выполнены в нем механическим путем или образованы непосредственно в процессе его изготовления.

5. Использование трубы или рукава по любому из предыдущих пунктов в качестве средства подачи жидкости в системе пожаротушения.

6. Использование трубы или рукава по любому из пп. 1-4 в качестве средства подачи жидкости в системе пожаротушения на установках, работающих в открытом море, в судостроении, на установках, работающих под землей, и в других случаях, когда к таким установкам предъявляются повышенные требования.