книги из ГПНТБ / Хордас, Г. С. Техническое кондиционирование воздуха и инертных газов на судах

в начале 70-х годов, составил уже 119 000 т. Средний дедвейт танкеров для сырой нефти и нефтепродуктов увеличился до 135 000 т. Рост максимального дедвейта судов этого типа показан на рис. 14. К числу таких судов относится и первый советский танкер «Крым» дедвейтом около 150 000 т, предназначенный для перевозки крупных партий сырой нефти. В текущей пятилетке нефтеналивной флот нашей страны заметно увеличит свой тоннаж за счет ввода в эксплуатацию несколь­

ществ и международных организаций, страховых, судовладельче­ ских и судостроительных фирм и компаний различных стран к проблеме безопасности морских перевозок нефти и нефтепродук­ тов [51, 86]. Были начаты исследования по выявлению причин взры­ вов и разработке эффективных мер, в том числе и законодательных, направленных на повышение безопасности эксплуатации танкеров.1

Несмотря на широту и глубину проводимых исследований, кон­ кретные причины взрывов супертанкеров не выяснены. Все свелось к определению и изучению всех факторов, обусловливающих воз­ можность воспламенения и взрыва на всех стадиях эксплуатации судна (в период грузовых и зачистных операций, мойки грузовых цистерн, приема балласта и др.).

Воспламенение, которое носит в закрытом грузовом помещении взрывной характер, может быть вызвано наличием трех элементов, составляющих так называемый «вечный треугольник»: источника

1 Результаты исследований, проводившихся в разных странах и оцененных экспертами в 3—4 млн. долл., были обобщены Международной палатой судоходства, координировавшей работы, и переданы в Межправительственную консультативную организацию (ИМКО).

31

Источниками воспламенения могут быть: искра, возникающая при падении какого-либо металлического предмета; дизельный эф­ фект; горячие поверхности паровых змеевиков обогрева груза и на­ копление заряда статического электричества, связанного, в част­ ности, с трением движущейся среды о стенки трубопровода. Если первые три фактора поддаются определенному контролю, то появле­ ния разрядов статического электричества, особенно при мойке гру­ зовых цистерн большого объема, избежать практически невозможно. Установлено, что опасные разряды статического электричества воз­ никают, когда вода, подаваемая открытым способом, сильно раз­ брызгивается на находящиеся в грузовых цистернах остатки нефти или нефтепродукты.

С увеличением объемов и площадей ограждений грузовых поме­ щений в целях ускорения процесса мойки значительно выросла энерговооруженность средств для проведения этой операции. Как видно из табл. 3, переход к моечным машинам с повышенной произ­ водительностью и дальнобойностью приводит к росту энергии струи более чем на 600%, с 7,1 до 46,8 кДж (с 7250 до 47 700 кгс-м) и спо­ собствует возникновению статического электричества.

На всех стадиях эксплуатации танкеров невозможно избежать присутствия в грузовых цистернах и второго элемента, необходимого для воспламенения,— топлива. В зависимости от рода груза, его температуры и проводимых операций в незаполненном грузом

32

пространстве цистерны находится то или иное количество легковос­ пламеняющихся нефтяных паров, представляющих собой смесь летучих фракций — отдельных углеводородов из серии нормальных парафинов (метана, этана, пропана и др.). Каждый из этих газо­ образных углеводородов имеет свои пределы воспламеняемости, соответствующие определенной концентрации в воздухе (табл. 4).

Каждый компонент изменяет пределы воспламеняемости смеси пропорционально его концентрации в последней. В табл. 5 при­ водится примерный состав смеси углеводородов, находящейся, в за­ висимости от проводимых операций, в грузовых цистернах при пере­ возках сырой нефти. В этой же таблице даны расчетные пределы воспламеняемости для смесей соответствующего состава [84].

Таблица 5

Свойства смеси углеводородов, образующейся в грузовых цистернах при перевозке сырой нефти

Характерно, что после мойки грузовых цистерн содержание легких углеводородов, таких, как метан и этан, снижается, и пре­ делы воспламеняемости (нижний и верхний) соответствуют мень­ шей их концентрации.

Пределы воспламеняемости, характеризуемые значениями объем­ ной концентрации углеводородов в воздухе от 2 до 10%, охватывают большую часть составов газообразных смесей углеводородов,1 обра­ зующихся при перевозках сырой нефти. Однако с учетом возможности перевозок светлых нефтепродуктов и создания необходимого запаса границы нижнего и верхнего пределов расширяются соответственно до 1,1 и 11,5% объемной концентрации углеводородов в воздухе [50].

Объемная концентрация углеводородов в свободном пространстве грузовых цистерн, особенно при проведении грузовых операций и мойки, может находиться между указанными значениями.

Из множества высказанных предположений наиболее вероятной причиной взрывов на супертанкерах «Марпесса», «Мактра» и «Конг Хаакон VII» считается появление зарядов статического электри­ чества в водяном тумане, образовавшемся при работе моечных машин3*

1 Именуемых в дальнейшем «углеводороды».

во время мойки цистерн, в объеме которых концентрация углеводо­ родов оказалась опасной [43].

Компанией Бритиш Петролеум (Англия) был проведен анализ состава газов в грузовых цистернах двух супертанкеров [82]. Испы­ тания показали, что концентрация углеводородов в больших грузо­ вых цистернах в период разгрузки сырой нефти неоднородна по вы­ соте (табл. 6). С понижением уровня нефти первоначально богатый углеродами слой над грузом частично разбавляется поступающим воздухом и в районе подволока образуется смесь опасной концен­ трации. Аналогичная по составу смесь углеводородов и воздуха находится в цистерне и в процессе мойки.

1 Первая цифра — объемная концентрация углеводородов у подволока, вторая цифра — у днища.

Если пустую грузовую цистерну не вентилировать определенное время после окончания разгрузки, то произойдет перераспределение концентрации углеводородов по высоте (табл. 7). Практически во всем объеме она также становится опасной.

При приеме груза, в частности сырой нефти, над поверхностью жидкости образуется концентрированный слой газообразных угле­ водородов. Этот слой поднимается вместе с жидкостью без заметного изменения концентрации. Газы, выходящие из цистерны, в начале приема груза в основном состоят из воздуха и незначительного коли­ чества углеводородов, затем концентрация углеводородов начинает возрастать до тех пор, пока концентрированный слой не достигнет выходного отверстия.

Пример увеличения концентрации углеводородов в выходящих газах при приеме сырой нефти показан на рис. 17. Можно отметить, что в свободном объеме грузовой цистерны значительную часть пе­ риода приема нефти концентрация углеводородов находится в пре­ делах воспламеняемости.

34

Рис. 17. Содержание угле­ водородов в выходящих газах при погрузке Ку­ вейтской сырой нефти (из­ мерения произведены на танкере «Бритиш Дестинг»

в январе 1967 г.)

1 — танки предварительно провентилированы; 2 — тан­ ки без предварительной вен­ тиляции.

/ — критическая линия процессов смешения с воздухом; 2 — зона низкого содержания кислорода (возможность воспламенения отсут­

Таблица 7

Распределение концентрации углеводородов по высоте пустой грузовой цистерны объемом 27 228 м3

* Типичная концентрация на расстоянии 3 м от днища.

концентрации кислорода менее 11,5% воспламенение невозможно так же, как и при переобогащении или обеднении углеводородами. Грузовые операции и мойка цистерн могут производиться, таким образом, при одном из трех составов смеси газов в грузовых помеще­ ниях (рис. 19):

1.Концентрация газов соответствует либо зоне воспламеняемости (точка А), либо зоне над верхним пределом воспламеняемости — газовая смесь переобогащена углеводородами (точка А '); состав не контролируется.

2.Концентрация углеводородов путем вентиляции грузовых цистерн доведена до значений менее нижнего предела воспламеняе­

мости — обедненная газовая смесь (точка Б).

3. Концентрация кислорода искусственно уменьшена (точка В). Установлено, что более чем на 85% танкеров мойка цистерн выполнялась при состоянии смеси газов, соответствующем точкам А и А Во избежание воспламенения старались обеспечить максималь­ ную герметизацию грузовых помещений, чтобы исключить возмож­

ность появления в них источника воспламенения.

На некоторых судах применяется искусственное переобогащение смеси (впрыск топлива и др.). В частности, такая система была уста­ новлена на супертанкере «Конг Хаакон VII».

36

Наличие переобогащенной смеси (точка А ') становится особенно опасным при навигационных авариях судов (столкновении, посадке на мель и др.)> когда процесс внезапного разбавления смеси попа­ дающим через пробоину воздухом неизбежно проходит через зону воспламеняемости (линия А 'А).

Метод обеднения газовой смеси используется на судах компании Шелл (владелец супертанкеров «Марпесса» и «Мактра»), компании Енгарг и др. Однако, чтобы обеспечить параметры газовой смеси, соответствующие точке Б, в процессе вентилирования неизбежен пере­ ход через зону воспламеняе­ мости (линия А ’Б), что чре­ вато опасностью взрыва.

Кроме того, как показали взрывы указанных супертан­ керов, нет гарантии, что обед­ ненная смесь сохраняется и

впроцессе мойки цистерн. Интересную попытку из­

пенно перемещается к днищу цистерн, откуда через трубопровод удаляется в атмосферу с помощью пароструйного эжектора. В над­ палубное пространство, таким образом, выбрасывается смесь газов и водяного пара (производительность каждого .эжектора 9600 м3/ч газа при расходе пара 1,6 т/ч).

Система была установлена на супертанкере японской постройки «Кинг Эликзендер те Грит» дедвейтом 227 506 т и подвергнута все­ сторонним испытаниям в 1970 г. Сложность заключается в необхо­ димости тщательного уравнивания скорости поступления воздуха через четыре входных устройства [42, 83].

Смесь третьего состава с пониженным содержанием кислорода может быть получена при помощи судовой системы, обеспечивающей подачу в грузовые цистерны либо чистых инертных (нейтральных) газов: азота и двуокиси углерода (углекислого газа), либо смеси инертных газов с незначительным содержанием кислорода (до 5%). Азот и двуокись углерода могут для этой цели храниться в газооб­ разном или сжиженном виде в баллонах, специальных цистернах

37

подачи их в грузовые помещения, получили в судостроении условное наименование систем инертных газов, а смесь газов указанного со­ става с большим содержанием инертных составляющих и незначи­ тельным содержанием кислорода стали называть инертными газами.

Если до приема груза цистерны предварительно заполнить инерт­ ными газами, в подпалубном пространстве будет находиться газовая смесь, параметры которой соответствуют примерно точке В (см. рис. 19). В случае внезапного проникновения воздуха в это простран­ ство (например, через пробоину при навигационной аварии) пара­ метры смеси могут переместиться в зону воспламеняемости (про­ цесс ВБ). Это зависит от размеров и места пробоины, а также от объема не заполненного грузом пространства, обусловливающих интенсивность перемешивания с поступающим воздухом. Однако при наиболее опасных операциях (разгрузке, мойке, плавании с балла­ стом) с помощью подачи инертных газов смесь может быть доведена до параметров, соответствующих точке В '. Тогда процесс смешения с воздухом (например, при вентиляции, пробоинах) пройдет ниже критической линии (процесс В ’Б).

В табл. 8 приведена концентрация газов в свободном пространстве грузовой цистерны в период разгрузки нефти, измеренная специа­ листами компании Бритиш Петролеум на двух однотипных судах (одно судно снабжено системой инертных газов, другое — без нее). При отсутствии системы в грузовой цистерне газовая смесь находится во взрывоопасном состоянии, при наличии системы состав смеси является безопасным и с поступлением инертных газов по мере раз­ грузки смесь приобретает параметры точки В ' (см. рис. 19).

Системы инертных газов устанавливались на танкерах в США с 1925 г., однако в дальнейшем их перестали применять. Это объяс­ няется следующим. Суда работали на каботажных линиях, что вы­ зывало необходимость частого мытья и вентиляции грузовых цистерн, и системы инертных газов использовались редко. Считалось, что системы создают ложное чувство безопасности; подвергалась со­ мнению их эффективность. В ряде случаев было установлено, что в свободном объеме грузовых помещений, - предположительно заполненном инертными газами, концентрация кислорода состав­ ляет 11%.

Следует также отметить, что танкеры использовались для одно­ временной перевозки различных нефтепродуктов и были оборудо­ ваны сложной системой газоотвода.

В 1932 г. компания Сан Ойл (США) после взрыва на одном из при­ надлежащих ей танкеров решила использовать системы инертных газов. Системы, разработанные компанией Сан Ойл, были проще предыдущих и эксплуатировались значительный период.

Первые отечественные системы инертных газов, создание которых было начато еще в начале 50-х годов, предназначались для ускорения ремонтных сварочных работ на нефтеналивных судах и для обеспе­ чения безопасной транспортировки нефти и нефтепродуктов на реч­ ных несамоходных судах [19, 57].

39