Способ вихревого порошкового тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах - RU2616039C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники. Заявляемое техническое решение может быть использовано для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах. В заявляемом техническом решении используется вихревой порошковый способ тушения с применением энергии направленного взрыва для подачи в контролируемую зону огнетушащего порошка, в том числе, в начале тушения - нанопорошка.

Установлено, что аварийное фонтанирование до воспламенения может продолжаться несколько суток, в результате вблизи фонтана (скважины) образуется зона загазованности и растекания нефти (загазованность на несколько километров, а разлив - на сотни метров), а если фонтанирование происходит на море, то значительная площадь поверхности воды покрывается нефтью (Тушение газовых и нефтяных фонтанов, mht).

Через 15-30 мин после воспламенения фонтана металлоконструкции в зоне пламени теряют несущую способность, деформируются и загромождают устья. С течением времени от воздействия пламени, воды, нефти или газа может происходить ослабление крепления устьевого оборудования, повреждение скважины может привести к изменению вида фонтанирования, состава струи или дебита.

В настоящее время тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газо-водяными струями, создаваемыми авиационными турбореактивными двигателями; взрывом мощного сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, подвешиваемого вблизи основания факела (Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов. Раздел: Методы тушения пожаров газовых фонтанов. Refbzd_ru.mht, с. 3). Эти способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3-5 млн м в сутки, однако при тушении более мощных горящих фонтанов становятся малоэффективными. Применение этих методов требует привлечения большого количества людей и специальной техники, проведения сложных и дорогостоящих подготовительных работ, наличия больших запасов воды. Поэтому сроки ликвидации аварии на скважине нередко затягиваются на многие недели и месяцы, что приводит к истощению ресурсов месторождения и к угрозе гибели скважины.

Известно (Тушение газовых и нефтяных фонтанов. Учебные материалы и литература. Глава 6.6., http://www.agps-mipb.ru), что основным параметром фонтанирующей скважины, по которому определяют приемы тушения пожара и расходы огнетушащих средств, является дебит фонтана по нефти или газу. Эквивалентным коэффициентом для пересчета фонтана в чисто газовый или нефтяной принимают 1 м³ нефти=1000 м³ газа. Данные о дебите и составе фонтана устанавливает штаб по ликвидации аварии.

Процесс тушения пожара состоит из трех основных этапов, которые включают комплекс тактических действий:

первый этап - охлаждение устьевого оборудования, металлоконструкций вокруг скважин и прилегающей территории; орошение струи фонтана с целью снижения интенсивности теплоизлучения; тушение очагов горения нефти и конденсата вокруг устья скважины; уборка территории от металлоконструкций; создание необходимого запаса воды (2,5-5,0 тыс.м³) и др.;

второй этап - непосредственное тушение фонтана с одновременным продолжением операций первого этапа;

третий этап - охлаждение устья скважины и орошение струи фонтана после тушения.

Известны способы тушения пожаров газоводяными струями и импульсное порошковое тушение с подачей порошка в зону горения в течение не более 1 с, в том числе на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

Использование импульсных струй жидкости высокой скорости и газоводяных струй средств пожаротушения, обладающих высокими огнетушащими качествами для ликвидации аварий на газонефтяных фонтанах путем охлаждения, достаточно эффективно, доступно и довольно дешево.

В работе (Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов. Раздел: Перспективные направления разработки устройств для тушения газовых фонтанов. Refbzd_ru.mht, с. 4-5) отмечено, что для доставки воды к горящему факелу с безопасных дистанций необходимо обеспечить высокие скорости на выходе из устройства тушения. Эта скорость должна учитывать потери при полете струи и обеспечивать необходимую скорость непосредственно перед факелом для преодоления конвективных потоков, а также «срывного» воздействия на факел. Суть «срывного» действия заключается в том, что с увеличением скорости потока равновесное положение фронта пламени сдвигается по потоку. Свежая паровоздушная горючая смесь по мере удаления претерпевает все более сильное разбавление за счет взаимной диффузии со сносящим потоком. Скорость горения такой смеси уменьшается пропорционально степени ее разбавления и при некоторой критической скорости потока, превышающей скорость горения, струя на мгновение прерывается, а пламя отбрасывается вверх и отрывается от нее.

Скорость отрыва пламени факела можно оценить по эмпирической формуле:

Vотр=100 3√d,

где d - начальный диаметр струи фонтана в метрах.

Анализ конкретных данных по изменению характера пламени при увеличении скорости горящей струи показывает, что срыв диффузионных пламен происходит в диапазоне скоростей 80-100 м/с. Очевидно, что указанные значения срывных скоростей с расстояний безопасного удаления (110-130 м) могут быть обеспечены при использовании высокоскоростных струй жидкости, генерируемых устройствами, аналогом которых является импульсный водомет.

Однако использование этих средств пожаротушения без применения необходимых технических решений ограничено температурой окружающей среды, которая должна быть выше 0°С, что удорожает названые средства пожаротушения или практически исключает их использование в силу экономической целесообразности в условиях Арктики и других местах с продолжительным зимним периодом. Поэтому названные средства пожаротушения выбирают, как правило, в зависимости от климатических условий расположения газонефтяных фонтанов.

В работе (Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов. Раздел: Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. Раздел: Современные способы тушения газовых фонтанов. Refbzd_ru.mht, с. 4) описаны пневматические порошковые пламеподавители ППП-200, которые применяются при тушении пожара фонтанов большой мощности. Тушение пожара осуществляется за счет воздействия на горящий факел распыленного порошка, выброс которого осуществляется за счет энергии сжатого воздуха. В зоне горения фонтана в течение короткого времени (1…2 с) импульсно создается огнетушащая концентрация порошка путем направленного залпового выброса установкой.

Подобный принцип реализуется и в установках на базе танковых шасси Т-62 Им-пульс-1, Импульс-2, Импульс-3, а также Импульс-Шторм. Машины имеют 50 стволов (Импульс-1 - 40 стволов), в каждый из которых заряжается по 30 кг порошка. Установка Импульс-Шторм способна доставить в очаг пожара за 4 секунды 1,5 тонны огнетушащего порошка. Это позволяет создать мощное огнетушащее воздействие сразу и одновременно по всей площади или объему. Основным отличием данной установки является мощное ударное воздействие на очаг пожара совместно с огнетушащими эффектами, производимыми специальными порошковыми составами.

Нередко используется метод подрыва заряда взрывчатого вещества, который генерирует ударную волну большой скорости (до 1000 м/с). Заряд взрывчатого вещества подается к устью скважины либо по стальному тросу, перекинутому через блоки, подвешенные на специальных опорах, либо на тележке с укосиной по рельсовым путям, проложенным к устью скважины. Главными недостатками этого метода является его высокая опасность, большой объем и сложность подготовительных работ, а также необходимость в большом количестве взрывчатого вещества (100-1000 кг).

Известен способ тушения пожаров (Патент RU №2008048, кл. А62С 3/02, А62С 19/00, опубл. 10.05.2002), заключающийся в подавлении процессов горения воздействием на очаг пожара направленной скоростной струей пожаротушащего аэрозоля, образующейся при метании, воспламенении и сгорании в полете по меньшей мере одной твердой, жидкой или загущенной аэрозольгенерирующей композиции, содержащей в своем составе горючее, окислитель и/или охладитель, при этом пожаротушащий аэрозоль, достигая очага пожара, обволакивает зону горения, вступает в контакт с пламенем, одновременно оказывая сдувающее (на пламя) и ингибирующее действие на физико-химические процессы горения, приводя к тушению или локализации пожара, причем применяются аэрозольгенерирующие композиции одного или различного составов, или смесь жидкой или загущенной аэрозольгенерирующей композиции или с пожаротушащими порошками, или с водой, или с водными растворами солей, или с объемно-детонирующей смесью, в том числе смесью компонентов различной плотности, или их смеси, при различном порядке их размещения при метании и воспламенении в полете, при этом воспламенение и горение композиции или композиций с образованием направленной аэрозольной струи происходит в полете, и/или над горящим объектом, и/или внутри горящего объекта.

Причем по указанным ранее способам предусмотрено проводить расчетное количество одновременных или последовательных метаний (пусков) средства, обеспечивая создание в объеме, где происходит пожар, или над горящим объектом необходимой тушащей концентрации пожаротушащего аэрозоля.

Однако, как было отмечено ранее, при тушении пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, срыв диффузионных пламен происходит в диапазоне скоростей 80-100 м/с. Для достижения таких скоростей необходимо создание мощных генераторов аэрозоля.

В то же время из уровня техники известен (Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. Раздел: Методы тушения пожаров газовых фонтанов, www.refbzd.ru, с. 3) пример создания вихрепорошкового способа тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности.

Сущность этого способа заключается в следующем. У основания факела, который при пожаре на скважине достигает высоты 80-100 м, с максимальным диаметром 10-15 м, создается вихревое кольцо, движущееся вдоль оси факела снизу вверх. При таком движении "атмосфера" вихревого кольца сдувает пламя и пожар прекращается. Такие вихревые кольца получают с помощью взрыва небольших зарядов взрывчатого вещества в баке соответствующего диаметра.

С практической точки зрения более привлекательны для тушения пожаров на скважине сравнительно низкоскоростные, так называемые всплывающие вихревые кольца, которые образуются при подъеме компактного облака легкого газа в атмосфере. Такие вихри образуются при взрыве зарядов взрывчатого вещества без применения специальных устройств и конструкций. При этом, однако, необходимо ликвидировать проскок пламени через вихревое кольцо. Этого можно достичь, используя способность вихревого кольца переносить распыленную примесь. Если в момент образования вихревого кольца заполнить его огнетушащим порошком, то такое вихревое кольцо даже при относительно небольшой скорости будет сдувать пламя факела.

Однако применение при тушении пожаров газовых фонтанов с помощью воздушных кольцевых вихрей из нанопорошка в указанном техническом решении не предусмотрено.

Известно применение импульсного порошкового тушения, которое реализуется в пожаротушащих установках, смонтированных на передвижном средстве (Патент RU №2008048, кл. А62С 27/00, опубл. 27.02.1994, Патент RU №2008048, кл. А62С 27/00, опубл. 20.11.1998.). Принцип работы этих установок основан на дистанционной подаче порошка.

Недостатком импульсного порошкового тушения является невозможность одновременной импульсной подачи большой массы огнетушащего порошка. Масса 200 кг является предельной, поэтому передвижные импульсные порошковые установки могут использоваться только для тушения слабых фонтанов с дебитом до 3 тыс.т/сутки по нефти или до 3 млн. м³/сутки по газу.

Из-за неполного охлаждения огнетушащим порошком фонтанной арматуры и окружающей среды возможно повторное возгорание фонтана после его тушения, то есть надежность гарантированного тушения пожаров на газовых, нефтяных или газонефтяных скважинах только огнетушащим порошком невысокая.

Известен способ тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах (Патент RU №2050865, кл. А62С 2/00, опубл. 27.12.1995). Сущность способа заключается в том, что при тушении пожаров фонтанов, возникающих при разработке газовых, нефтяных и газонефтяных скважин в процессе бурения или эксплуатации осуществляют подачу в факел пламени жидкого азота и порошкового состава, при этом жидкий азот подают под срез фронта пламени с расходом 1 кг/м³ газа до момента максимального подъема фронта, после чего вводят вышеуказанную зону порошковый состав из расчета 4-12 кг/млн. м³ дебита фонтана.

В результате действия механизма разбавления (азот-негорючий газ) и охлаждения скорость распространения пламени по газовоздушной смеси уменьшается, что приводит к дестабилизации горения, и пламя поднимается над устьем скважины на высоту 10-15 м. Пламя факела фонтана становится менее устойчивым к срыву, чем при свободном горении. Затем импульсно вводят (через 1-2 с после подачи азота) под нижнюю кромку фронта пламени огнетушащий порошок из расчета 4-12 кг порошка/млн. м³/сут сгорающего газа.

Однако при эксплуатации скважин сохранение в дежурном режиме жидкого азота в охлажденном состоянии (с температурой 80-100°K) в течение длительного времени весьма проблематично и экономически нецелесообразно.

Известен способ тушения пожаров фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах (Патент RU №2456433, кл. Е21В 35/00 (2006.01), А62С 3/00 (2006.01), опубл. 20.07.2012). Сущность данного технического решения заключается в тушении пожаров фонтанов на скважинах газоводяными струями, образованными подачей воды в струю выхлопных газов авиационного турбореактивного двигателя, смонтированного на передвижном средстве, включает первоначальное охлаждение фонтанной арматуры, отсечку горящего фонтана от основания скважины и дальнейшее тушение фонтана. При этом одновременно с продолжением тушения фонтана газоводяными струями дополнительно осуществляют подачу в импульсном режиме огнетушащего порошка в зону фонтана над газоводяными струями. Подачу огнетушащего порошка осуществляют с той же позиции передвижного средства и в том же направлении, что и подачу газоводяных струй.

Однако указанный способ не предусматривает вихревой способ подачи огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, который является по мнению автора изобретения, наиболее эффективным порошковым огнетушащим средством для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

Известен вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности, разработаннный в Институте гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы (Б.А. Луговцов «Взрыв тушит пожар», http://www.t-z-n.ru/prenevid/docs/intexplosion.pdf). Сущность этого способа заключается в следующем. У основания факела, который при пожаре на скважине достигает высоты 80-100 м, с максимальным диаметром 10-15 м, создается вихревое кольцо, движущееся вдоль оси факела снизу вверх. При таком движении "атмосфера" вихревого кольца сдувает пламя и пожар прекращается. Такие вихревые кольца получают с помощью взрыва небольших зарядов взрывчатого вещества в баке соответствующего диаметра.

Однако вопрос тушения пожаров газовых фонтанов с помощью нанопорошков в этой работе не рассматривался.

Известен способ тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах (Патент RU №895174, кл. Е21В 35/00, опубл. 10.02.1996), принятый за прототип заявляемого способа. Для осуществления этого способа заряд взрывчатого вещества размещают на поверхности земли, раскладывают несколько концентричных кольцевых зарядов, заряды взрывают с задержкой по времени, причем заряд меньшего радиуса взрывают первым, взрывчатое вещество обкладывают слоем огнетушащего порошка.

Согласно описанию изобретения тушение осуществляется за счет гидродинамического воздействия на пламя поднимающимся вдоль оси фонтана грибовидным воздушным облаком, масса которого мала, то и для его образования не требуется больших затрат энергии. Поэтому требуется небольшое количество взрывчатого вещества.

Располагая несколько кольцевых зарядов концентрично со скважиной и подрывая их одновременно или последовательно, причем заряд меньшего радиуса подрывается первым, можно создать мощный газовый поток вдоль всего горящего фонтана, и увеличить, таким образом, надежность его тушения.

Обкладывая взрывчатое вещество слоем огнетушащего порошка, тушение факела осуществляется совместным воздействием всплывающего грибовидного облака, содержащего огнетушащий порошок, и импульсных струй огнетушащего порошка.

Причем образующееся ниже уровня пламени вихревое кольцо разделяет горящий выше него факел от фонтанирующего топлива и при своем движении вдоль фонтана сдвигает фронт горения к вершине факела до полного срыва пламени.

Однако указанный способ не предусматривает применение огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

В заявляемом техническом решении при создании вихревого кольца из нанопорошка интенсифицируется процесс ингибирования пожаровзрывоопасной среды, за счет того, что атомы на поверхности частиц нанопорошка находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие, именно поэтому нанопорошки часто применяют в качестве катализаторов.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности средств борьбы с пожарами, возникшими при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, за счет применения огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, обладающего повышенной ингибирующей способностью по сравнению с обычным огнетушащим порошком.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе вихревого порошкового тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, включающем размещение на поверхности земли взрывчатого вещества в виде нескольких концентричных кольцевых зарядов по замкнутому контуру, охватывающему горящий факел скважины, обкладывание их огнетушащим порошком, подрыв заряда меньшего радиуса первым, подрыв следующих зарядов с задержкой по времени, доставку огнетушащего порошка в зону горения с помощью энергии ударной волны и создание вихревого кольца, движущегося вдоль оси факела снизу вверх, при формировании заряда меньшего радиуса и обкладывании его огнетушащим порошком в качестве последнего используют нанопорошок, который при образовании вихревого кольца создает в контролируемой зоне концентрацию нанопорошка, достаточную для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для продвижения названного вихревого кольца вдоль поверхности диффузионного пламени факела.

Технический эффект, реализуемый заявляемым способом тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, обуславливается следующим.

Использование нанопорошка при формировании заряда меньшего радиуса и обкладывании взрывчатого вещества указанным порошковым огнетушащим средством позволяет значительно повысить эффективность объемного пожаротушения за счет его огромной удельной поверхности, а значит и избыточной поверхностной энергии нанопорошка (Нанопорошки. Назначение, свойства, производство. Нанотехнологии.mht).

Отсюда можно сделать вывод, что нанопорошки самым активным образом влияют на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения, и чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.

Создание вихревого кольца из нанопорошка, движущегося вдоль граничной поверхности диффузионного пламени факела с помощью энергии ударной волны, позволяет:

- повысить ингибирующее действие порошков при объемном тушении в случае возникновения аварий на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

- создать в контролируемой зоне концентрацию нанопорошка, достаточную для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени.

В техническом решении (Патент RU №895174, кл. Е21В 35/00, опубл. 10.02.1996), принятом за прототип, образующееся ниже уровня пламени вихревое кольцо разделяет горящий выше него факел от фонтанирующего топлива и при своем движении вдоль фонтана сдвигает фронт горения к вершине факела до полного срыва пламени.

В этом случае, как следует из работы (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. -М.: издательство «Химия», 1979, с. 113, Раздел: Механизм огнетушащего действия порошков), наблюдаются следующие процессы:

разбавления горючей среды газообразными продуктами разложения порошка или порошкового облаком;

охлаждения зоны горения;

возникновения эффекта огнепреграждения, обусловленный прохождением пламени через узкие каналы между частицами порошка

ингибирования химических реакций, который в данном случае, по мнению автора изобретения, не является доминирующим.

В заявляемом техническом решении одновременно с «выдавливанием» фронта горения к вершине факела наблюдается интенсивное ингибирования химических реакций в зоне горения, причем этот процесс, по мнению автора изобретения, доминирует над всеми остальными процессами во время тушения, отмеченными ранее. Это позволяет повысить надежность процесса тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, практически исключая «проскок» пламени через вихревое кольцо, образованное из нанопорошка.

Известно (Нанопорошки. mht), что нанопорошки обладают огромной удельной поверхностью, а значит и избыточной поверхностной энергией. Атомы на поверхности частиц находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие. Поэтому применение нанопорошков в качестве огнетушащего порошкового средства, по мнению автора изобретения, является наиболее перспективным ингибирующим средством при объемном тушении на пожаро- и взрывоопасных объектах.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию «новизна».

При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства, относящиеся к противопожарной технике для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, а также технические решения, связанные с пожаротушением с использованием наноразмерных огнетушащих порошков.

Известно (Патент RU, №2465027, A62D 1/00 (2006.01), опубл. 27.10.2012), что ингибирующая горение способность порошков на основе минеральных солей, содержащих в качестве катионов щелочные металлы, обусловлена наличием у этих катионов низких значений ионизационного потенциала. В таблице 1 приведены значения ионизационных потенциалов веществ, входящих в различные группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (см. Большая советская энциклопедия, т. 27, с. 265 и далее).

Из этих данных видно, что наименьшим ионизационным потенциалом и, соответственно, наибольшей ингибирующей способностью обладают именно щелочные металлы, а из них - цезий (Cs).

В работе (Birchall. Y. Comb / a Flame, 1970, v. 8, 257) приведены данные по исследованиям тушащего действия различных солей на диффузионное пламя городского газа. В результате чего было установлено, что наиболее эффективное действие из всех исследованных солей на диффузионное пламя оказывали соли щелочных металлов.

Высокая ингибирующая способность солей щелочных металлов иллюстрируется значениями коэффициентов гетерогенной рекомбинации атомов водорода (γ_н) и кислорода (γ₀) на поверхностях различных солей, приведенными в таблице 2. Эти данные получены экспериментально методом электронного парамагнитного резонанса (см. монографию А.Н. Баратова, А.П. Вогмана «Огнетушащие порошковые составы», М., Стройиздат, 1982, с. 66).

Из таблицы видно, что в качестве конкретных огнегасящих веществ, которые можно использовать в виде нанопорошка, наиболее эффективными являются две последние соли щелочных металлов: сульфата калия (K₂SO₄) и сульфату цезия (Cs₂SO₄), обладающие наибольшим значением коэффициентов рекомбинации атомарных частиц водорода и кислорода, являющихся активными центрами цепных реакций при горении. При этом предпочтение должно быть отдано сульфат цезия (CS₂SO₄). Несмотря на более высокую стоимость нанопорошка из солей цезия, его применение компенсируется значительно меньшим, чем других нанопорошков из щелочных металлов, расходом этих солей при тушении пожаров.

Согласно опытным данным (Патент RU, №2465027, A62D 1/00 (2006.01), опубл. 27.10.2012) огнетушащая способность сульфата цезия при тушении пожаров классов В1 и В2 составляет 0,24 кг/м², то есть он примерно в 5-6 раз более эффективен, чем порошок ПСБ-3 (1,5 кг/м²).

Однако приведенные ранее технические решения не предусматривают при тушении пожара создание вихревого кольца из нанопорошка, движущегося вдоль оси факела снизу вверх с помощью энергии ударной волны.

Известен способ порошкового пожаротушения (Патент RU №2419471, кл. А62С 3/10 (2006.01), опубл. 27.05.2011), заключающийся в подаче огнетушащего порошка в очаг пожара, в котором тушение производят комбинацией нанодисперсного порошка минеральной соли цезия, например, CS₂SO₄ и обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов, например, NaHCO₃, причем в качестве рабочего газа при эжектировании используют не только газ, но и газовзвесь обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов, обеспечивая не только подсос нанопорошка, но и обволакивание частиц обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов нанопорошком. Причем нанодисперсный порошок минеральной соли цезия, благодаря физико-химической специфике щелочных металлов, имеет низкий потенциал ионизации и значительно (примерно в 10⁴-10⁵ раз) большую дисперсность по сравнению с обычными порошками, и обладает очень сильным ингибирующим воздействием на пламя.

Для создания равномерной смеси нано- и обычного порошков можно использовать известное эжекторное устройство (А.Н. Баратов «Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность», изд. ВНИИПО, 2003 г., с. 362), в котором к зоне смешения присоединяются два штуцера для подачи нано- и обычного порошка с расчетными их расходами.

Однако дальнейшее повышение эффективности этого способа порошкового пожаротушения ограничено тем, что процесс создания при эжектировании комбинации нанопорошка и обычного порошка путем обволакивания частицами обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов нанопорошком ограничен суммарной площадью поверхности обычного порошка - матрицы. В результате чего часть частиц нанопорошка при эжектировании будут «отскакивать от матрицы», не достигая при этом очага пожара при его подаче.

В случае если смесь нано- и обычного порошков не будет обладать достаточной кинетической энергией, она не сможет преодолеть барьер конвективных потоков горячих газов, генерируемых пламенем, и зону радиационно-кондуктивного нагрева, в результате названная смесь не сможет достигнуть поверхности горения и подавить этот процесс.

Известен способ порошкового пожаротушения нанопорошками (Заявка RU №2012142461 от 04.10.2012, опубл. 10.04.2014, кл. МПК A62D 1/00 (2006.01), заключающийся в подаче огнетушащего порошка в очаг пожара, причем тушение производят путем подачи в контролируемую зону нанопорошка в виде микрокапсулированного огнегасящего агента.

Однако этот способ нельзя использовать при тушении крупномасштабных пожаров по причине незначительной массы микрокапсул, которые будут резко менять свою траекторию при подлете их к зоне интенсивного выброса продуктов горения.

Доставка нанопорошка в виде микрокапсулированного огнегасящего агента с помощью энергии ударной волны данное техническое решение не предусматривает.

В изобретении (Патент RU №895174, кл. Е21В 35/00, опубл. 10.02.1996, с. 1) в аналитическом обзоре аналогов изобретения описаны способ тушения пожаров с помощью взрыва, производимого в струе пожара и способ тушения пожара на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, включающий установку заряда по замкнутому контуру, охватывающему скважину, с последующим его взрывом.

Однако в первом способе отмечается малая эффективность тушения и необходимость большого количества взрывчатого вещества.

Во втором способе заряд заглублен в жидкую среду, поэтому при взрыве купол воды выбрасывается в очаг пожара, часто не успевая загасить пламя. Кроме того, требуется большое количество взрывчатого вещества.

Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом.

На основании изложенного, можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.

Осуществление заявляемого технического решения может быть реализовано следующим образом.

Известно (http://ru.wilkipedia.orl Порошковое пожаротушение - Википедея), что порошковыми составами тушат по поверхности и по объему зоны горения. При тушении по поверхности огнетушащее действие порошков заключается в основном в изоляции поверхности горения от доступа к ней воздуха, а при объемном тушении действие проявляется в ингибировании процесса горения (Евтюшкин М.Н., Повзик Я.С. Справочное пособие по пожарной тактике - М.,1975, с. 100).

Установлено (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю. [Место защиты: Академия государственной противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), что для обеспечения эффективного функционирования систем порошкового пожаротушения дисперсный состав применяемых порошков должен быть специально подобран в зависимости от техники, в которой он будет применяться. В этом, возможно, имеется значительный резерв в повышении эффективности порошкового пожаротушения.

Среди существующих средств пожаротушения - водных, пенных, газовых, аэрозольных и порошковых, порошковые имеют ряд принципиально важных преимуществ (http://www.tungus.net/Преимущества порошковых средств пожаротушения). Они универсальны, имеют высокую эффективность и невысокую стоимость. В отличие от систем объемного пожаротушения (газового, аэрозольного) для них не требуется обеспечение условий герметичности защищаемых объектов и трубной разводки для подачи внутрь защищаемого объекта огнетушащего порошка, а в отличие от водных и пенных они имеют значительно более широкий диапазон температурного использования (особенно в области низких температур) и длительный срок эксплуатации. При этом они не причиняют значительного ущерба для окружающих предметов, не содержат в своем составе токсичных веществ и могут использоваться практически на любых объектах.

Однако дальнейшее повышение эффективности порошкового тушения пожаров газонефтяных фонтанов связано с повышением ингибирующего действия порошков, что напрямую связано с их дисперсностью (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 114).

Известно (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 216), что огнетушащая способность воды обуславливается охлаждающим действием, разбавлением горючей среды образующимися при испарении парами и механическим воздействием на горящее вещество, то есть срывом пламени. Разбавляющее действие, приводящее к снижению содержания кислорода в окружающем воздухе, объясняется тем, что объем пара в 1700 раз превышает объем испаряющейся воды.

В то же время вода практически не участвует в процессе ингибирования химических реакций в пламени как в газовой фазе, так и на поверхности частиц горящего вещества.

В работе (Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. Раздел: Влияние различных факторов на скорость распространения пламени; www.refbzd.ru) отмечено, что наиболее сильное влияние на тушение пожаров газонефтяных фонтанов оказывает введение хладонов, так как они обладают еще и ингибирующим действием на реакцию горения.

В этой работе на рис. 5 показано, что введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4-10 раз эффективнее, чем нейтральных газов-разбавителей.

Однако в работе (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 117) отмечено, что огнетушащая эффективность некоторых порошков в ряде случае выше, чем бромхладонов.

Известно (Исавнин Н.В. Средства порошкового пожаротушения. М., Стройиздат, 1983, с. 141), что если порошковое облако полностью покрывает пламя, то оно практически подавляется мгновенно. В этом случае дополнительно повышается эффективность в способе тушения, в котором диспергированный поток одновременно формируется во всем объеме очага пожара.

При тушении обширных очагов (Патент RU №2027452, кл. МПК А62С 2/00, опубл. 27.01.1995) в условиях ограниченного запаса огнетушащего состава наиболее эффективным будет являться способ тушения путем подачи состава по заранее заданному алгоритму, учитывающему форму, размеры очага и интенсивность горения, что значительно сократит непроизводительные потери огнетушащего состава при минимально необходимом его расходе. Значительный эффект также будет достигнут введением обратной связи в процесс тушения вышеуказанным способом, то есть оперативным изменением подачи огнетушащего состава, (изменением плотности потока, изменением направлений подачи и т.д.) в зависимости от достигаемых результатов тушения.

Известно (ru.m.wikipedia.org>Порошковое пожаротушение), что огнетушащая способность порошков общего назначения зависит не только от химической природы порошков, но и степени их измельчения. Возможность подачи очень мелких порошков в зону горения затруднена, поэтому промышленные огнетушащие порошки общего назначения содержат фракцию 40-80 мкм, обеспечивающую доставку мелких фракций в зону горения.

В работе (Сабинин О.Ю. Обоснование зависимости огнетушащей способности порошковых составов от их характеристик и параметров подачи импульсными модулями // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2006. - №6. с. 126-132) отмечено, что при импульсной подаче огнетушащего состава в очаг горения, помимо обычного тушащего воздействия, масса огнетушащего состава оказывает дополнительное воздействие за счет своих кинетических параметров. Только посредством увеличения скорости порошковой струи можно в 2-3 раза повысить эффективность применения огнетушащего порошкового состава для тушения пожаров, что и наблюдается в механизме действия импульсных модулей.

В работе (М.Е. Краснянский. Порошковое пожаротушение.mht) отмечено, что ряд авторов предлагают получить порошковый аэрозоль непосредственно в очаге горения за счет терморазложения специальных неорганических смесей. Преимущество такого способа - малый размер образующихся частиц и «свежая» (ювинальная) их поверхность, имеющая высокую химическую активность. Недостатки - сложная технология, очень высокая стоимость.

Анализ результатов испытаний и теоретические исследования, проводимые во ВНИИПО в 1993-1996 годах (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю. [Место защиты: Академия государственной противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), позволили установить некоторые новые аспекты, связанные с газодинамикой тушения, в особенности важные для автоматического тушения локальных очагов, когда распылители установлены стационарно и, как правило, сверху. Так в процессе исследований выяснилось, что тушение горящего очага следует рассматривать через призму взаимодействия двух струй. Одна струя формируется восходящими над очагом потоками и скорости в ней зависят от энергетики очага (его размера, вида горючего), другая, на нее воздействующая - газопорошковая. Было установлено, что при одних и тех же параметрах подачи порошка на очаг, например, сверху, при увеличении размера очага (росте скоростей восходящих потоков) тушение затруднялось и даже не достигалось из-за уноса (выдувания) частиц порошка.

Однако такая закономерность будет справедлива до определенного, критического размера частиц порошка, то есть минимального диаметра частицы порошка, при котором она за счет своих показателей инерции не будет отбрасываться восходящими конвективными потоками и проникнет в зону горения. Можно предположить, что при увеличении в составе полидисперсного порошка доли частиц порошка, имеющих диаметр ниже критического, большая их часть не проникнет в зону горения, следовательно огнетушащая способность такого порошка должна снижаться, поскольку расчетный критический диаметр частицы порошка, согласно расчету (2 глава), равен 12,8 мкм. (Диссертации в Техносфере: http://teklmosfera.com/optimalnye-harakteristiki-ognetushaschih-poroshkov-i-parametry-ih-podachi-dlya-impulsnyh-moduley-poroshkovogo-pozharotush#ixzz3WMK166Dy)

В работе (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 110-121) описан широкий круг порошковых огнетушащих составов. Дисперсность частиц этих составов колеблется по данным (А.Н. Баратов, и др. Пожарная опасность строительных материалов. - М., Стройиздат, 1988, глава 9, табл. 9.20) в диапазоне от 50 до 160 мкм.

В настоящее время все отмеченные ранее порошковые огнетушащие составы могут быть выполнены в виде нанодисперсного порошка минеральной соли (Русские нанопорошки.mht; http://nano-info.ru/post/439/ Нанопорошки. Назначение, свойства, производство).

Однако в работе (Birchall. Y. Comb/ a Flame, 1970, v. 8, 257) приведены данные по исследованиям тушащего действия различных солей на диффузионное пламя городского газа. В результате было установлено, что наиболее эффективное действие из всех исследованных солей на диффузионное пламя оказывали соли щелочных металлов.

Известен метод Дюфресса (http://www.dslib.net/pozharn-bezopasnost/optimalnye-harakteristiki-ognetushawih-poroshkov-i-parametry-ih-podachi-dlja.html), основанный на проверке огнетушащей эффективности порошков. Она определялась по минимальному количеству порошка, достаточному для одного тушения. Эксперименты показали, что самыми эффективными оказались соединения калия, проверенные этим методом.

Пример применения нанодисперсного порошка минеральной соли цезия CS₂SO₄ в комбинации с обычным порошком на основе минеральных солей щелочных металлов, например, NaHCO₃ приведен в способе порошкового пожаротушения (Патент RU, №2419471, кл. МПК А62С 2/10 (2006.01), опубл. 27.05.2011).

По определению наночастицы должны иметь диаметр менее 100 нм. Почти половина нанопорошков имеет диаметр менее 30 нм. Девять процентов порошков, относящихся к группе «нано», имеют диаметр более 100 нм. Большинство производителей предлагают порошки диаметром от 5 до 100 нм. При определении цены не столь важен размер частиц, сколько важна чистота и однородность (http://nano-info.ru/post/439/ Нанопорошки. Назначение, свойства, производство).

Поэтому, по мнению автора, оптимальным размер частиц нанопорошка должен быть от 5 до 30 нм с учетом существующего уровня производства названных материалов. В дальнейшем с учетом развития производства нанопорошков следует переходить на применение нанопорошков размером частиц менее 5 нм.

Известно (Нанопорошки.mht), что нанопорошки отличаются тем, что составляющие их наночастицы "слипаются" и формируют агрегаты, а агрегаты, в свою очередь, собираются в еще более крупные образования - агломераты. И уже агрегаты и агломераты ведут себя как отдельные частицы. Объединение (агрегация) наночастиц порошка происходит в результате стремления системы (порошка) уменьшить избыточную поверхностную энергию, которая присуща веществу в раздробленном, в том числе и в наноразмерном, состоянии. Все это должно учитываться при создании способа тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

Отличительным свойством названных порошков является возможность манипулирования с ними: нанопорошки можно сыпать, уплотнять, разрыхлять, склеивать и даже заставить течь. Отдельную наночастицу можно сравнивать с отдельной личностью, а нанопорошок - с толпой. Сама по себе частица - интересная, уникальная, особенная. Она характеризуется определенным химическим составом, твердостью, плотностью, электропроводностью, магнитными свойствами, гигроскопичностью и т.п. Наряду со свойствами вещества при описании частицы говорят о размере, форме, шероховатости поверхности, химическом составе поверхностного слоя, химическом составе слоев адсобированных веществ, смачиваемости, диэлектрической проницаемости и растворимости поверхностного слоя (Нанопорошки.mht).

В работе (Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов, www.refbzd.ru) отмечено, что с практической точки зрения более привлекательны для тушения пожаров на скважине сравнительно низкоскоростные, так называемые всплывающие вихревые кольца, которые образуются при подъеме компактного облака легкого газа в атмосфере. Такие вихри образуются при взрыве зарядов взрывчатого вещества без применения специальных устройств и конструкций. При этом, однако, необходимо ликвидировать проскок пламени через вихревое кольцо. Этого можно достичь, используя способность вихревого кольца переносить распыленную примесь. Если в момент образования вихревого кольца заполнить его огнетушащим порошком, то такое вихревое кольцо даже при относительно небольшой скорости будет сдувать пламя факела.

В работе (Ахметов Д.Г. Экспериментальные исследования линейных и кольцевых концентрированных вихрей, 01_02_05 механика жидкости, газа и плазмы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Новосибирск - 2011, Глава 5. Тушение пожаров газонефтяных фонтанов с помощью воздушных кольцевых вихрей, mht) отмечено, что пожары газонефтяных фонтанов возникают в результате аварии в процессе бурения скважин. Ликвидация такой аварии представляет собой сложную задачу и осуществляется с участием сотен людей и большого количества специальной техники. Существующие способы тушения пожаров газонефтяных фонтанов становятся недостаточно эффективными при тушении пожаров газовых фонтанов с расходами свыше (3÷5) 106 м³/сутки. По результатам проведенных исследований был предложен новый высокоэффективный способ тушения пожаров газонефтяных фонтанов практически любой возможной мощности с помощью кольцевого вихря.

Принцип тушения пожара газонефтяных фонтанов с помощью кольцевого вихря основан на особенностях горения струи топлива и использовании некоторых свойств кольцевого вихря. Как известно, при воспламенении струи образуется диффузионный факел веретенообразной формы, процесс горения происходит в поверхностном слое смешения струи, где в результате турбулентной диффузии достигается стехиометрический состав газа и окислителя (воздуха). Нижняя кромка пламени стабилизируется (фиксируется) на некоторой высоте, где достигается равенство uf=wt локальной скорости потока и в слое смешения струи и турбулентной скорости wt f распространения пламени вниз. Если обеспечить неравенство uf>wt, то нижняя кромка пламени будет сдвигаться потоком вверх и при достаточном сильном неравенстве uf>wt пламя сорвется со струи. То есть для тушения факела необходимо либо увеличить локальную скорость потока uf вблизи нижней кромки пламени, либо снизить скорость турбулентного горения wt.

Кольцевой вихрь, движущийся вверх вдоль оси фонтана и охватывающий факел, обладает двумя свойствами, обеспечивающими срыв пламени со струи.

Во-первых, благодаря тому, что поле скорости кольцевого вихря, добавляясь к скорости струи, увеличивает локальную скорость струи uf в зоне стабилизации пламени и обеспечивает необходимое условие сдвига пламени вверх uf>wt.

Во-вторых, благодаря тому, что циркуляции жидкости в атмосфере вихря происходит по замкнутым линиям тока, кольцевой вихрь может переносить с собой мелкодисперсные частицы, вводимые в вихрь при его образовании.

Используя в качестве таких частиц распыленные огнетушащие порошки, можно снизить скорость турбулентного горения wt в зоне прохождения вихря и тем самым усилить неравенство u>wt. Совместное действие этих двух факторов f обеспечивает достаточное условие для срыва пламени со струи. В результате большого цикла экспериментальных исследований по тушению факелов газовых и нефтяных фонтанов разного масштаба с помощью воздушных кольцевых вихрей установлено, что данный способ эффективен при тушении пожаров аварийно фонтанирующих газонефтяных фонтанов практически любой возможной мощности.

Однако вопрос одновременного срыва пламени со струи частицами распыленных огнетушащих порошков, в том числе и нанопорошков, и ингибирования химических реакций в зоне горения с использованием наноразмерных огнетушащих порошков в отмеченной работе не рассматривался.

В работе (Тушение газовых и нефтяных фонтанов. Раздел 10.1. Тушение огнетушащими порошками, http://davaiknam.ru) приведен пример создания вихрепорошкового способа В указанном способе на рис.10.10 приведена схема подачи порошка к фонтану при тушении вихрепорошковым способом.

Сущность данного технического решения заключается в том, что огнетушащий порошок вводят в зону горения взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ). На металлический поддон П-образной формы укладывают детонирующий шнур, на него - шашки (патронированный аммонит), затем мешки с порошком. Эта платформа собирается на безопасном расстоянии и подтягивается трактором на тросах к устью скважины. Взрыв производят дистанционно из специальных мест. Личный состав отводят на безопасное расстояние. Опытами установлено, что на 1 млн. м³/сут газа требуется 60 кг порошка ПСБ. Для подачи 100 кг порошка требуется 1 кг ВВ.

Однако применение при тушении пожаров газовых фонтанов с помощью воздушных кольцевых вихрей из нанопорошка в указанном техническом решении не предусмотрено.

При создании настоящего изобретения было учтено то, что возможности повышения огнетушащей способности порошковых огнегасящих средств далеко не исчерпаны. Как показывает анализ научной литературы (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю. [Место защиты: Академия государственной противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), в настоящее время в достаточной степени не определены и научно не обоснованы требования к химическому и дисперсному составу огнетушащих порошков в зависимости от области их применения.

Исходя из приведенных научных данных и исследованного уровня техники, связанных с практическим применением огнетушащих порошков, можно сделать следующие предположения.

1. Наиболее перспективным и универсальным огнетушащим средством, применяемым для ликвидации пожара на пожаро- и взрывоопасных объектах, в том числе, на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах при температуре воздуха от +50°C до -60°C на безопасном для человека расстоянии, являются огнетушащие порошки.

2. Используя огромную удельную поверхность нанопорошков, можно значительно повысить эффективность объемного пожаротушения за счет того, что нанопорошки самым активным образом влияют на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения. При этом, чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.

3. Использование нанопорошка при формировании вихревого кольца и доставка его в зону горения с помощью энергии ударной волны, позволяет получить в контролируемой зоне такую концентрацию нанопорошка, которая достаточна для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени.

В дальнейшем изобретение поясняется примерами его реализации.

На фиг. 1 представлена схема реализации заявляемого способа тушения пожара после воспламенения фонтана, подготовки концентричных кольцевых зарядов и обкладывание взрывчатого вещества огнетушащим порошком к началу тушения; на фиг. 2 – то же в момент доставки огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, в зону горения с помощью энергии ударной волны и создания вихревого кольца, на фиг. 3 – то же в момент доставки огнетушащего порошка в зону горения с помощью энергии ударной волны и создания второго вихревого кольца; на фиг. 4 - тоже в момент доставки огнетушащего порошка в зону горения с помощью энергии ударной волны и создание последнего вихревого кольца, на фиг. 5 – то же в момент достижения вихревым кольцом из нанопорошка граничной поверхности диффузионного пламени у вершины факела.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

При аварийном фонтанировании скважины струя 1 нефти и газа истекает из ее устья 2 с последующим воспламенением фонтана в виде горящего факела 3.

Перед началом тушения на поверхности земли размещают металлический поддон 4, на котором вокруг устья 2 устанавливают многосекционный кольцевой лоток 5, в каждой секции 6, 7, 8 которого разложены соответственно концентричные кольцевые заряды 9, 10, 11 из взрывчатого вещества. Указанные заряды в секциях 6, 7, 8 обкладывают соответственно огнетушащим порошком 12, 13, 14, который сверху герметично изолирован в дежурном режиме от окружающей среды крышками 15, 16, 17, смонтированными на соответствующих секциях 6, 7, 8.

Следует отметить, что кольцевой заряд 9 выполнен с наименьшим радиусом, а в качестве огнетушащего порошка 12 используют нанопорошок. При заполнении секций 7, 8 используют обычный огнетушащий порошок 13, 14, например ПСБ, как было отмечено в известном техническом решении (Тушение газовых и нефтяных фонтанов. Раздел: Тушение огнетушащими порошками, http://davaiknam.ru) при создании вихрепорошкового способа для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах).

Согласно заявляемому способу тушение пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, осуществляется следующим образом.

До начала подрывных работ оператора тушения отводят на безопасное расстояние.

Подрыв кольцевых зарядов 9, 10, 11 производят дистанционно из специальных мест с задержкой по времени, причем подрыв заряда 9 меньшего радиуса осуществляют первым.

Перед подрывом каждого из зарядов 9, 10, 11 удаляются соответствующие крышки 15, 16, 17.

В результате подрыва заряда 9 огнетушащий порошок 12, выполненный в виде нанопорошка, доставляется в зону горения с помощью энергии ударной волны и создается вихревое кольцо 18 грибовидной формы (Фиг. 2).

Причем, как было отмечено в известном техническом решении (Патент RU №895174, кл. Е21В 35/00, опубл. 10.02.1996, с. описания), принятым за прототип, при тушении происходит гидродинамическое воздействие на пламя поднимающимся вдоль оси фонтана грибовидным воздушным облаком, масса которого мала, поэтому и для его образования не требуется больших затрат энергии.

Следует отметить, в заявляемом способе на поверхности диффузионного пламени 19 в зоне боковой поверхности 20 вихревого кольца 18 создают в контролируемой зоне концентрацию нанопорошка, достаточную для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для продвижения вихревого кольца 18 из нанопорошка вдоль поверхности диффузионного пламени 19 факела 3.

Как было установлено ранее (Патент RU, №2419471, опубл. 27.05.2011), наиболее эффективными огнегасящими веществами, по мнению автора изобретения, которые можно использовать в виде нанопорошка, являются соли щелочных металлов: сульфат калия (K₂SO₄) и сульфату цезия (CS₂SO₄), обладающие наибольшим значением коэффициентов рекомбинации атомарных частиц водорода и кислорода, являющихся активными центрами цепных реакций при горении (Монография A.Н. Баратова, А.П. Вогмана «Огнетушащие порошковые составы», М., Стройиздат, 1982, с. 66).

Вихревое кольцо 18 разделяет поверхность диффузионного пламени 19 горящего факела 3 от фонтанирующей струи 1 топлива.

При движении вихревого кольца 18 вдоль поверхности диффузионного пламени 19 происходит следующее:

- наблюдается интенсивное ингибирования химических реакций в зоне горения на поверхности диффузионного пламени 19 и границы горения 20 вихревого кольца 18, причем этот процесс, по мнению автора изобретения, доминирует над всеми остальными процессами во время тушения. Это позволяет повысить надежность процесса тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, практически исключая «проскок» пламени через вихревое кольцо, образованное из нанопорошка.

- происходит перемещение границы горения 20 вихревого кольца 18 к вершине факела 25 до полного срыва названного пламени (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5).

В связи с тем, что диффузионное пламя 19 не должно проходить по каким-то причинам вниз через вихревое кольцо 18 к фонтанирующей струе 1 топлива, формируют, как и в известном техническом решении (Патент RU №895174, кл. Е21В 35/00, опубл. 10.02.1996, с. 2 описания), принятым за прототип, несколько вихревых колец из обычного огнетушащего порошка, создавая мощный газопорошковый поток вдоль всего горящего фонтана, что позволяет дополнительно увеличить надежность тушения пожара, возникающего при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

В дальнейшем, согласно изобретению, производят подрыв с задержкой по времени заряда 10.

В результате подрыва заряда 10 огнетушащий порошок 13, выполненный в виде обычного огнетушащего порошка, например ПСБ, доставляется в контролируемую зону с помощью энергии ударной волны и создается вихревое кольцо 21 грибовидной формы вслед за вихревым кольцом 18 (фиг. 3).

Вихревое кольцо 21 движется вдоль оси факела 3 снизу вверх, по потушенному предыдущим кольцом 18 участку 22 струи 1. В случае возникновения пожара на участке 22 при аномальном развитии пожара, вследствие «проскока» пламени через вихревое кольцо 18, производится тушение возникшего очага горения вихревым кольцом 21.

Затем, согласно изобретению, производят подрыв с задержкой по времени заряда 11.

В результате подрыва заряда 11 огнетушащий порошок 14, выполненный в виде обычного огнетушащего порошка, например ПСБ, доставляется в контролируемую зону с помощью энергии ударной волны и создается вихревое кольцо 23 грибовидной формы вслед за вихревыми кольцами 18 и 21 (фиг. 4).

Вихревое кольцо 23 движется вдоль оси факела 3 снизу вверх, по потушенному предыдущими кольцами 18 и 21 участку 24 струи 1.

По мере продвижения вихревых колец 18, 21, 23 к вершине факела 25 создается участок 26 струи 1.

В случае аномального развития пожара и «проскока» пламени через вихревое кольцо 18 производится тушение возникшего очага горения вихревыми кольцами 21 и 23, как и в известном техническом решении (Патент RU №895174, кл. Е21В 35/00, опубл. 10.02.1996, с. 2 описания).

Применение при создании вихревых колец 21 и 23 обычного огнетушащего порошка 13 и 14, например ПСБ, позволяет снизить стоимость порошкового огнетушащего средства по сравнению с огнетушащим порошком 12, выполненным в виде нанопорошка.

Анализ современных теоретических представлений о механизмах порошкового тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, и общеизвестные сведения из уровня техники показали большую перспективу применения нанопорошков. Одним из путей этого применение является дальнейшее развитие вихрепорошкового способа пожаротушения на особо важных объектах при тушении крупных пожаров в зонах неконтролируемого распространения огня при отсутствии в этих зонах людей с использованием предлагаемого способа тушения.

Заявляемое техническое решение просто в эксплуатации и может быть использовано для доставки при пожаре нанопорошка с помощью энергии ударной волны в контролируемую зону для создания концентрации нанопорошка, достаточной для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени.

Реферат

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники. Способ вихревого порошкового тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах включает размещение на поверхности земли взрывчатого вещества в виде нескольких концентричных кольцевых зарядов по замкнутому контуру, охватывающему горящий факел скважины. Обкладывают заряды огнетушащим порошком. Осуществляют подрыв заряда меньшего радиуса первым, подрыв следующих зарядов с задержкой по времени, доставку огнетушащего порошка в зону горения с помощью энергии ударной волны и создание вихревого кольца, движущегося вдоль оси факела снизу вверх. При этом при формировании заряда меньшего радиуса и обкладывании его огнетушащим порошком в качестве последнего используют нанопорошок, который при образовании вихревого кольца создает в контролируемой зоне концентрацию нанопорошка, достаточную для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для продвижения названного вихревого кольца вдоль поверхности диффузионного пламени факела. Техническим результатом является повышение надежности тушения пожаров. 2 табл., 5 ил.

Формула