ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЖАРООПАСНЫХ СВОЙСТВ НИТРАТНО-МАГНИЕВЫХ СМЕСЕЙ

brief description

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ УКРАИНЫ
Украинский научно-исследовательский институт
пожарной безопасности

На правах рукописи

ЗАИКА ПЕТР ИВАНОВИЧ

УДК 614.841: 536.46

Исследование ПОЖАРООПАСНЫХ СВОЙСТВ
НИТРАТНО-МАГНИЕВЫХ СМЕСЕЙ

21.06.02 Пожарная безопасность

Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель:
Ващенко Вячеслав Андреевич,
доктор технических наук,
профессор

г. Киев 2003 г.

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение...........
Раздел 1. Анализ исследований пожароопасных свойств металлизированных конденсированных систем при различных внешних условиях.......
1.1. Анализ теоретических данных по горению металлизированных конденсированных систем
1.2. Экспериментальные данные по скорости горения..
1.2.1. Зависимость скорости горения от начальной температуры
1.2.2. Зависимость скорости горения от внешнего давления
1.2.3. Влияние на скорость горения обдува потоком воздуха и вращения образца......
1.3. Выводы. Цель и задачи исследований..
Раздел 2. Теоретические исследования процесса горения конденсированных систем магний + нитрат натрия при различных внешних условиях...
2.1. Модель горения газонепроницаемых систем магний + нитрат натрия в статических условиях....
2.2. Теоретические исследования горения конденсированных систем магний + нитрат натрия в динамических условиях....
2.2.1. Физическая модель горения в условиях встречного обдува потоком воздуха и вращения ...
2.2.2. Влияние встречного обдува потоком воздуха на процесс горения.
2.2.3. Влияние небольших угловых скоростей осесимметричного вращения.....
2.2.4. Влияние больших угловых скоростей осесимметричного вращения.
2.2.5. Устойчивость процесса горения в поле центробежных ускорений.
Выводы..

Раздел 3. Разработка методов и установок для исследования скорости горения металлизированных конденсированных систем при различных внешних условиях эксплуатации....
3.1. Выбор образцов материалов для испытаний....
3.2. Разработка методик и установок для проведения исследований
3.2.1. Установка для исследования скорости горения при повышенных температурах нагрева (до 300 0С) и внешних давлениях (до 250 кг/см2)...
3.2.2. Установка для исследования скорости горения при повышенных скоростях встречного обдува потоком воздуха (до 1200 м/с) и угловых скоростях осесимметричного вращения (до 70000 об/мин)..
Выводы......
Раздел 4. Экспериментальные исследования скорости горения конденсированных систем магний + нитрат натрия при различных внешних условиях эксплуатации....
4.1. Зависимость скорости горения от температуры нагрева и внешнего давления........
4.1.1. Зависимость скорости горения от температуры нагрева и влияния на нее соотношения компонентов в смеси, их дисперсности и внешнего давления....
4.1.2. Зависимость скорости горения от внешнего давления и влияния на нее соотношения компонентов в смеси, их дисперсности и температуры нагрева.........
4.1.3. Влияние температуры нагрева и внешнего давления на концентрационные пределы горения..
4.2. Зависимость скорости горения от скорости встречного обдува потоком воздуха и угловой скорости осесимметричного вращения....
4.2.1. Зависимость скорости горения от скорости встречного обдува потоком воздуха.
4.2.2. Зависимость скорости горения от угловой скорости осесимметричного вращения
Выводы..
Раздел 5. Разработка и внедрение обоснований по обеспечению пожарной безопасности при производстве и эксплуатации нитратно-магниевых смесей....
5.1. Разработка банка данных по горению и пожароопасным свойствам нитратно-магниевых смесей.....
5.1.1. Модели для расчета зависимостей скорости горения от дисперсности порошка нитрата натрия...
5.1.2. Модели для расчета зависимостей скорости горения от начальной температуры
5.1.3. Модели для расчета зависимостей скорости горения от внешнего давления..
5.1.4. Модели для расчета зависимостей скорости горения от скорости встречного обдува потоком воздуха
5.1.5. Модели для расчета зависимостей скорости горения от угловой скорости осесимметричного вращения...
5.2. Разработка обоснований по противопожарной защите объектов с наличием пиротехнических изделий...
5.2.1. Требования пожарной безопасности при изготовлении .....
5.2.2. Требования пожарной безопасности при хранении ....
5.2.3. Требования пожарной безопасности при транспортировании....
5.2.4. Требования пожарной безопасности при реализации в торговой сети..
5.2.5. Требования пожарной безопасности при применении....
Основные выводы и результаты работы....
Список использованной литературы..
Приложения..

Введение

Бурное развитие науки и техники привело к расширению области применения специализированных изделий различного назначения [1, 2, 8, 11]. Наряду с разработкой изделий традиционного назначения (дымовых, сигнальных, осветительных, трассирующих, зажигательных и т.п.) уделяется большое внимание использованию нового типа изделий металлизированных конденсированных систем (МКС), представляющих собой механические уплотненные смеси из порошков металлических горючих, неорганических окислителей и органических добавок (технологических или обеспечивающих специальный эффект дымообразующих, цветопламенных, катализаторов горения, ингибиторов и т.д.). В настоящее время МКС широко используются в качестве твердых металлизированных топлив, пиротехнических ИК-излучателях, трассирующих и осветительных средств, газогенерирующих составов, средств космической техники и др. [710, 68, 102]. Это, в свою очередь, привело к расширению и углублению научных исследований в области горения МКС с целью повышения их эффективности и пожаровзрывобезопасности. Многообразие МКС, обусловленное их различным назначением, определяет широкий ассортимент исходных компонентов, применяющихся для их изготовления [9698, 160163], что влечет за собой многообразие режимов горения (заключающегося в физико-химическом превращении исходного вещества в конечные продукты) из-за влияния на горение условий протекания.
При всей многоплановости проблем создания высокоэффективных МКС наиболее важным (наряду с проблемами поиска и исследования свойств нового сырья) являются проблемы, связанные с организацией процесса горения, т.е. создания условий для обеспечения заданного уровня, например такой важной характеристики процесса горения МКС, как скорости горения.
Для создания высокоэффективных, пожаровзрывобезопасных МКС различного назначения необходимы исследования по горению МКС в разнообразных условиях их эксплуатации (различных температурах нагрева, внешних давлениях, дозвуковом и сверхзвуковом обдуве потоком воздуха, осесимметричном вращении и др.). При этом, если вопросы свойств сырья, применения и технологии изготовления МКС достаточно исследованы, то экспериментальные и теоретические исследования процесса их горения при различных внешних условиях весьма ограничены.
Основополагающие исследования по горению различных систем и, в частности, по скорости горения МКС на протяжении нескольких десятилетий были проведены научными школами, возглавляемыми Я.Б. Зельдовичем, О.И. Лейпунским, П.Ф. Похилым, Б.В. Новожиловым, Б.И. Хайкиным, А.Г. Мержановым, Н.А. Силиным, Л.Я. Кашпоровым, В.А. Ващенко и др. [11, 3032, 35, 44, 48, 51, 61, 66, 75, 81, 8592, 104109, 112, 124, 125, 127, 128, 136139, 143173]. В этих исследованиях были заложены основы горения газовых смесей, конденсированных взрывчатых веществ, гетерогенных конденсированных систем и МКС. При этом наибольшее внимание из МКС было уделено уплотненным системам из порошков магния и нитрата натрия, которые наиболее широко используются в качестве твердых зарядов целого ряда указанных выше изделий (например, в твердых металлизированных топливах, пиротехнических ИКизлучателях и осветительных средствах).
С целью повышения пожаровзрывобезопасности указанных изделий в реальных условиях эксплуатации необходимо уметь прогнозировать пожароопасные свойства, определяемые скоростью и пределами горения указанных МКС при повышенных температурах нагрева (до 300 оС), внешних давлениях (до250кг/см2), скоростях обдува потоком воздуха (до 1200 м/с) и угловых скоростях вращения (до70000 об/мин). Однако экспериментальные и теоретические исследования указанных свойств МКС при рассматриваемых внешних условиях в настоящее время отсутствуют.
Актуальность темы. В последнее время в Украине всё большее применение приобретают пиротехнические изделия промышленного и бытового назначения на основе МКС, к которым относятся смеси порошков магния и нитрата натрия (нитратно-магниевые смеси, НМС).
Статистические данные за 2000-2002 гг. свидетельствуют, что на протяжении этого периода в Украине произошло 314 пожаров и взрывов от разнообразных пиротехнических изделий, которые привели к разрушению зданий (прямой ущерб 940тыс. гривен), гибели 9 человек и травматизму 18 человек. К тяжким последствиям привели взрывы и пожары на фабрике по производству пиротехнических изделий в Китае 1997 г. (погибло 18 человек), на складе при магазине пиротехнических изделий в Рио-де-Жанейро 1997 г. (разрушено здание), на складе фирмы в Голландии 2000 г. (в радиусе 1,5 км разрушены покрытия зданий, нанесен ущерб на 50 млн. долларов), на складах пиротехнических изделий в Алма-Атинской области Казахстана 2001 г. (уничтожено огнём 4здания).
Приведённые примеры свидетельствуют о том, что не решен ряд вопросов обеспечения пожаровзрывобезопасности на объектах с наличием пиротехнических изделий. Главная причина такого положения состоит в том, что нормативная база требований пожарной безопасности относительно пиротехнических изделий неполная, отсутствует достаточный контроль качества изделий и их использования, недостаточно внимания уделяется научным исследованиям и моделированию процессов горения пиротехнических изделий, в том числе, на основе смесей порошков магния с нитратом натрия, в условиях их применения.
Для разработки мероприятий и средств противопожарной защиты объектов с наличием широкого ассортимента пиротехнических изделий на основе НМС важно прогнозировать значения показателей их пожароопасности, а именно скорости горения и концентрационных пределов горения в зависимости от температуры, давления, скорости встречного потока воздуха и угловой скорости вращения изделий.
Необходимость надёжного обеспечения пожарной безопасности на всех стадиях использования нитратно-магниевых пиротехнических смесей, повышение эффективности функционирования систем противопожарной защиты, предназначенных для предупреждения гибели, травматизма людей и уничтожения материальных ценностей, с учётом современных требований охраны окружающей среды обусловили актуальность проведённых научных исследований, направленных на определение пожароопасных свойств таких смесей, разработку математических моделей процессов их горения, обоснование необходимых мероприятий и средств противопожарной защиты соответствующих объектов.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссерта-ционные исследования проводились в рамках выполнения Государственной программы обеспечения пожарной безопасности на 1995-2000 годы, утверждённой Постановлением Кабинета Министров Украины от 03.04.1995г.№ 238. В разделе II Приоритетные направления научных исследований и разработок в области пожарной безопасности” определено: Провести исследования, разработать математические модели и алгоритмы расчёта пожарной опасности объектов народного хозяйства, вероятности возникновения, развития пожаров”. Кроме того, в Решении Коллегии МВД Украины от 28.02.1995 г. № 4 КМ/2 приложение № 2 Приоритетные направления фундаментальных и прикладных исследований учебных заведений и научно-исследовательских учреждений МВД Украины на период 1995-2000 гг.” определена задача: Создание моделей развития и прекращение пожара”. Направление диссертационных исследований соответствует Программе обеспечения пожарной безопасности на период до 2010 года, утверждённой Постановлением Кабинета Министров Украины от 01.07.2002 г. № 870 в части совершенствования методической и экспериментальной базы для проведения испытаний веществ, материалов на пожарную опасность”.
Объект исследований пиротехнические смеси системы магний + нитрат натрия”.
Предмет исследований показатели пожарной опасности нитратно-магниевых смесей, процессы их горения.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод, который включает в себя: анализ и обобщение результатов научных исследований в области горения МКС; математическое моделирование процессов горения с использованием основных законов теплообмена; имитационное моделирование процессов горения НМС в зависимости от соотношения их компонентов и от внешних факторов; метод экспертных оценок; экспериментальное исследование скорости горения НМС; применение методов математической статистики для проверки достоверности полученных результатов.
Основные научные положения, которые выносятся на защиту, их новизна:
впервые разработана и экспериментально обоснована математическая модель процесса горения НМС (коэффициент избытка окислителя a - от 0,4 до2,0) в пиротехнических изделиях при статических условиях в зависимости от температуры и давления, а также соотношения компонентов и их дисперсности, что даёт возможность прогнозировать степень влияния этих факторов на скорость горения таких смесей;
впервые экспериментально исследован процесс горения НМС в пиротехнических изделиях при наличии встречного потока воздуха и вращения изделия вокруг своей оси (дальше вращение); изложено физическое обоснование влияния скорости встречного потока воздуха на скорость горения НМС в изделии; разработана математическая модель процесса горения НМС в цилиндрическом изделии в зависимости от угловой скорости его вращения (w), что даёт возможность рассчитывать критические значения wкр, при которых горение НМС становится неустойчивым или прекращается;
созданы две лабораторные установки и методики исследования процессов горения НМС в пиротехнических изделиях в зависимости от повышенных температуры смеси и давления, а также скорости встречного потока воздуха и скорости вращения;
впервые проведены экспериментальные исследования комплексного влияния коэффициента избытка окислителя a (в пределах от 0,2 до 3,0), дисперсности порошка магния dм (50-300 мкм), дисперсности порошка нитрата натрия dN(100-500мкм), начальной температуры смеси T0 (20-300 0C), давления P(1-250кг/см2), скорости встречного потока воздуха W (до 1200 м/с) и скорости вращения w (до 70000 об/хв) на скорость горения НМС, а также влияния внешних факторов и дисперсности компонентов НМС на зависимость скорости горения от a и на концентрационные пределы горения этих смесей; по результатам проведённых исследований решена комплексная задача определения предельных условий их устойчивого горения;
создан банк данных в виде расчётных зависимостей скоростей горения НМС от соотношения компонентов и их дисперсности, а также от начальной температуры смеси, давления, скорости встречного потока воздуха и скорости вращения, что даёт возможность определять этот показатель пожарной опасности для любых смесей данной системы;
сформулированы основные критерии определения мероприятий и средств противопожарной защиты объектов изготовления, хранения, транспортирования, реализации и использования пиротехнических изделий на основе НМС.
Научная новизна полученных результатов состоит в раскрытии закономерностей процесса горения НМС, создании математической модели процесса горения НМС в зависимости от внешних факторов, что даёт возможность определять их пожароопасные свойства и обосновать необходимые мероприятия противопожарной защиты во время изготовления и использования пиротехнических изделий на их основе.
Практическое значение полученных результатов. Результаты диссертационной работы нашли применение по таким направлениям:
разработанная математическая модель процесса горения НМС используется для прогнозирования параметров процесса горения или прекращения горения при различных внешних условиях;
разработанный комплекс из двух лабораторно-испытательных установок применён для получения экспериментальных данных относительно процесса горения пиротехнических смесей, которые относятся к МКС;
созданный банк данных по процессам горения и пожароопасным свойствам НМС применён в практике противопожарной защиты объектов;
разработанные учебные пособия Основные свойства компонентов системы магний + нитрат натрия в условиях горения” и Основы горения” используются в учебном процессе ЧИПБ им. Героев Чернобыля МВД Украины по дисциплине Основы теории развития и прекращения горения”.
Личный вклад соискателя:
проведён комплекс теоретических и экспериментальных исследований процессов горения НМС в зависимости от начальной температуры смеси, внешнего давления, скорости встречного потока воздуха и скорости вращения пиротехнического изделия;
созданы две лабораторно-испытательные установки для проведения исследований процессов горения пиротехнических смесей системы метал+окислитель” (Mg+NaNO3) в широких пределах изменения внешних условий;
проведены экспериментальные исследования комплексного влияния коэффициента избытка окислителя (NaNO3), дисперсности компонентов, начальной температуры смеси, давления, скорости встречного потока воздуха и скорости вращения на скорость горения смесей магний + нитрат натрия” в пиротехнических изделиях;
разработана и экспериментально обоснована математическая модель процесса горения НМС в статических условиях;
создан банк данных по процессам горения и пожароопасным свойствам НМС;
сформулированы обоснования мероприятий, необходимых для обеспечения пожарной безопасности при изготовлении, хранении, транспортировании, реализации и применении пиротехнических изделий на основании НМС.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на ІІІ научно-практической конференции Пожарная безопасность - 97” (УкрНИИПБ МВД Украины, г. Киев, 31 июля 1августа 1997г.), научно-практической конференции Пожарная безопасность - 97” (МИПБ МВД РФ, г. Москва, 19 ноября 1997 г.), ІV научно-практической конференции Автоматика - 97” (ЧИТИ, г. Черкассы, 23-28 июня 1997 г.), ІІ научно-практической конференции Гидроаэромеханика в инженерной практике” (ЧИТИ, г. Черкассы, 27-30 мая 1997 г.), ІІ Международной научно-практической конференции Неравновесные процессы в соплах и струях” (Балтийский государственный технический университет, г. Санкт-Петербург, 15-16 октября 1998 г.), научно-практической конференции Современные проблемы тушения пожаров” (МИПБ МВД РФ, г. Москва, 22-23 апреля 1999 г.), ІV научно-практической конференции Пожарная безопасность - 99” (ЧИПБ им. Героев Чернобыля МВД Украины, г. Черкассы, 8-11 июня 1999 г.), ХV научно-практической конференции Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков” (ВНИИПО МВД РФ, г.Москва, 3-4 ноября 1999 г.), международной научно-практической конференции Крупные пожары: Предупреждение и тушение” (ВНИИПО МВД РФ, г. Москва, 30-31 октября 2001 г.), V Международной научно-практической конференции Пожарная безопасность - 2001” (ЛИПБ МВД Украины, г. Львов, 20-22 ноября 2001 г.).
Публикации: По результатам исследований опубликованы 2 учебных пособия, 25 научных статей, из них 11 в изданиях, включенных в перечень ВАК Украины, и 14 тезисов докладов на научно-практических конференциях и семинарах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вступления, пяти разделов, выводов, списка использованных литературных источников с 207ссылками, 4 приложений. Содержание работы изложено на 187 страницах, которые включают 39 иллюстраций и 11 таблиц.

6

14

14
21
21
28

41
44

48

48

58

59
60

63

67
73
78

83
83
86

91

95
99

101

101

103

108

113

119

119

124
135

138

139

139

141

142

143

144

146
146
153
156

158
160
164
166
188

bibliography

Основные выводы и результаты работы

Диссертационная работа посвящена решению проблемы повышения уровня пожарной безопасности в части определения пожароопасных свойств нитратно-магниевых смесей, обоснования мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объектов во время изготовления, хранения, транспортирования, реализации и применения пиротехнических изделий на их основе.

Основные выводы по диссертации:
1. Впервые разработано и экспериментально обосновано математическую модель процесса горения смесей порошков магния и нитрата натрия коэффициент избытка окислителя a (от 0,4 до 2,0) в пиротехнических изделиях в статических условиях в зависимости от температуры и давления, что даёт возможность прогнозирования степень влияния этих факторов, а также соотношения компонентов и их дисперсности на скорость горения таких смесей.
2. Впервые экспериментально исследовано процесс горения смесей порошков магния и нитрат натрия в пиротехнических изделиях при наличии встречного потока воздуха и вращения изделия вокруг собственной оси, изложено физическое трактование влияния скорости встречного потока воздуха на скорость горения НСМ в изделии, разработана математическая модель процесса горения НСМ в цилиндрическом изделии в зависимости от угловой скорости его вращения (w), что даёт возможность рассчитывать критические значения wкр, при которых горение НМС становится неустойчивым или прекращается.
3. Создано две лабораторные установки и методика исследования процессов горения НМС в пиротехнических изделиях в зависимости от начальной температуры и давления, а также скорости встречного потока воздуха и скорости вращения.
4. Впервые проведено экспериментальное исследование комплексного влияния коэффициента избытка окислителя a (в пределах от 0,4 до 2,0), дисперсности порошков магния dм (50-300 мкм), дисперсности порошков нитрату натрия dN (100-500 мкм), начальной температуры смеси T0(20-3000C), давления P (0,1-25 МПа), скорости встречного потока воздуха W(до 1200 м/с) и скорости вращения w (до 70000 об/хв) на скорость горения НМС, а также влияния внешних факторов и дисперсности компонентов НМС на концентрационные пределы распространения огня в этих смесях; по результатам проведённых исследований решена комплексная задача определения предельных условий их устойчивого горения.
5. Создан банк данных в виде расчётных зависимостей скорости горения НМС от соотношения компонентов и их дисперсности, а также от начальной температуры, давления, скорости встречного потока воздуха и скорости вращения, что позволило определить этот показатель пожароопасности для какой-либо смеси данной системы.
6. Сформулированы основные критерии определения мероприятий и средств противопожарной защиты объектов изготовления, хранения, транспортирования, реализации и применения пиротехнических изделий на основе НМС.

7. Результаты диссертационной работы внедрены на практике для обеспечения пожарной безопасности во время изготовления, хранения, транспортирования и реализации пиротехнических изделий: Научно-исследовательский институт специальной техники МВД Украины, ОАО Фирма Реагент” (г. Днепропетровск), фирма Пиротекс” (г. Харьков), магазины Феерия” (г. Днепропетровск) и Пиротехника” (г. Черкассы), а также в учебном процессе ЧИПБ им. Героев Чернобыля МВД Украины.