Оценка пожарной опасности эластичных резервуаров на основе термогравиметрического анализа

Введение. Ежегодно появляются новые виды полимерных композитных материалов, которые применяются для изготовления быстровозводимых мягких резервуаров. Данные материалы испытывают на механическую и химическую стойкость, при этом изучению их пожароопасных свойств уделяется значительно меньше внимания. Ввиду того что композитные материалы для эластичных резервуаров являются горючими, экспериментальное исследование процесса их термодеструкции, в частности методом термического анализа, является актуальной задачей.

Цель и задачи. Целью исследования являлась оценка пожарной опасности эластичных резервуаров на основе термогравиметрического анализа трех образцов композитных материалов, которые нашли широкое применение при изготовлении эластичных резервуаров для хранения пожароопасных жидкостей. В работе проведен анализ результатов синхронного термического анализа схожих по своей структуре композитных материалов, а также температур поверхностного слоя при горении нефти и нефтепродуктов; определены интервалы термической деструкции, скорости потери массы, тепловые эффекты термоокислительной деструкции в азотно-кислородной среде исследуемых материалов.

Материалы и методы. Для оценки термостойкости полимерных композитных материалов, применяемых при изготовлении мягких резервуаров хранения пожароопасных жидкостей, были изучены физико-механические свойства следующих марок материалов: Yan Yang YY1600; Jinlong JL1600; L3690 NESU. Методом синхронного термического анализа (ТГА+ДСК) с использованием прибора Setsys Evolution 16 исследована термическая деструкция данных материалов в азотно-кислородной атмосфере.

Результаты исследования. Проведенные эксперименты позволили установить, что термодеструкция исследу­емых материалов наступает при температурах 280–290 °С, что близко к температуре поверхностного слоя при горении темных нефтепродуктов. Максимальная скорость деструкции у всех образцов наблюдалась при 410–420 °С, а максимальный коксовый остаток не превышал 4,5 %. Время полного разрушения исследуемых материалов при максимальной скорости убыли массы составило от 9 до 14 мин в зависимости от вида образца.

Выводы. Температура начала термодеструкции трех исследуемых марок полимерных композитных материалов близка к температуре поверхностного слоя при горении высококипящих жидкостей, что создает опасность разгерметизации при воспламенении пролива темных нефтепродуктов на поверхности исследуемых материалов.

1. Константинов И.В., Богачева Е.Р., Краснов Е.С. Мягкие резервуары: применение и преимущества // Инно­ва­­ции. Наука. Образование. 2021. № 46. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_47415673_72698647.pdf

2. Кургин Р.В. Мягкие резервуары. Описание и применение // Экспозиция Нефть Газ. 2014. № 6 (38). С. 80–81.

3. Попов В.А., Подугалова Ю.Ю. Возможность применения мягких резервуаров для осуществления авиа­топливообеспечения воздушных перевозок в арктической зоне Российской Федерации // The scientific heritage. 2021. № 81. С. 55–58. DOI: 10.24412/9215-0365-2021-81-1-55-58

4. Коптев Д.П. Норильский разлив: уроки и последствия // Бурение и нефть. 2020. № 7–8. С. 3–9.

5. Уэдлер Е.М. Совершенствование методики расчета мягких резервуаров с жидкостью // Известия КазГАСУ. 2011. № 2 (16). С. 110–115.

6. Алексеев С.А. Расчет мягких наземных емкостей для жидкостей // Сб. статей по исследованию прочности, устойчивости и выносливости авиационных конструкций : Труды Военно-воздушной Академии им. Жуковского. 1980. Вып. 1265. С. 208–216.

7. Shirieva N.S., Shiriev A.K., Tlyasheva R.R., Naumkin E.A. Study of mechanical properties and analysis of low temperatures influence on flexible tank engineering structural material behavior // Russian petroleum technology conference. 2020. DOI: 10.2118/202035-MS

8. Рыбаков Ю.Н., Дедов А.В., Кюннап Р.И., Ларионов С.В. Исследование проницаемости фторированного полиэтилена высокого давления для складов временного хранения топлива // Научно-технический журнал «Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов». 2021. Т. 11. № 1. С. 65–69.

9. Ruochen Yang, Faisal Khan, Eugenio Turco Neto, Riza Rusli, Jie Ji. Could pool fire alone cause a domino effect? // Reliability Engineering & System Safety. 2020. Vol. 202. DOI: 10.1016/j.ress.2020.106976

10. Paul D.R., Mark J.E. Fillers for polysiloxane (“silicone”) elastomers // Progress in Polymer Science. 2010. Vol. 35. Issue 7. Pp. 893–901.

11. Fang W.Z., Zeng X.R., Lai X.J., Li H.Q., Chen W.J., Zhang Y.J. Thermal degradation mechanism of ad-dition-cure liquid siliconе rubber with urea-contain-ing silane // Thermochimica Acta. 2015. Vol. 605. Pp. 28–36. DOI: 10.1016/j.tca.2015.02.011

12. Prahdan B., Srivastava S.K. Synergistic effect of three dimensional multi-walled carbon nanotube/graphene nanofiller in enhancing the mechanical and thermal properties of high performance siliconе rubber // Indian institute of technology. 2014. Pp. 110–115. DOI: 10.1002/pi.4627

13. Kumar D., Sharma S., Kushwaha P.K. Recent progress in experimental and molecular dynamics study of carbon nanotube reinforced rubber composites : a review // Polymer-Plastics Technology and Materials. 2022. P. 34. DOI: 10.­1080/25740881.2022.2084411

14. Самигуллин Г.Х., Захаров А.Е. Снижение пожарной опасности при использовании полимерных эластичных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов // Проблемы управления рисками в техносфере. 2023. № 1 (65). С. 8–16.

15. Архангельский И.В., Нагановский Ю.К., Годунов И.А. и др. Термоаналитический межлабораторный эксперимент по идентификации материалов, веществ и средств огнезащиты // Пожарная безопасность. 2020. № 3 (100). С. 15–23. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2020.63.99.001

16. Богданов И.А., Шабунин С.А., Ульева С.Н. и др. Оценка влияния температурных воздействий на пожарную опасность изоляции на основе ПВХ-диэлектриков // Современные проблемы гражданской защиты. 2022. № 4 (45). С. 64–70.

17. Preety Moni Doley, Anthony Chun Yin Yuen, Imrana Kabir, Luzhe Liu, Cheng Wang, Timothy Bo Yuan Chen et al. Thermal hazard and smoke toxicity assessment of building polymers incorporating TGA and FTIR–Integrated cone calorimeter arrangement // Fire. 2022. No. 5 (5). Р. 139. DOI: 10.3390/fire5050139

18. Кобелев А.А., Нагановский Ю.К., Круглов Е.Ю. и др. Пиролиз гибридной полиуретано-неорганической теплоизоляции: термогравиметрический анализ и Фурье ИК-спектры // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 4. С. 5–15. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.04.5-15

19. Беззапонная О.В. Изучение особенностей развития пожара с использованием метода синхронного термического анализа // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. № 31 (5). С. 26–32. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.05.26-32

20. Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва. М. : Пожнаука, 2007. 266 с.

21. Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ. 2-е изд., перераб. М. : Химия, 1981. 272 с.

22. Lulu Fang, Jun Fang, Yong Hu, Fengyuan Tian, Mengwen Wang, Hassan Raza Shah et al. Experimental study of coupling between the burning behaviors of fuel storage tanks and thin fuel pools // Energy. 2018. Vol. 285. DOI: 10.1016/j.energy.2023.129418

23. Zhao J., Huang H., Jomaas G., Zhong M., Yang. Experimental study of the burning behaviors of thin-layer pool fires // Combustion and Flame. 2023. Vol. 193. Pp. 327–334. DOI: 10.1016/j.energy.2023.129418