МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ТЭП-50 НА ОАО «ВОРОНЕЖСИНТЕЗКАУЧУК»

В соответствии с законодательством Российской Федерации [1], иными нормативными правовыми актами, устанавливающими обязательное исполнение требований пожарной безопасности (ПБ) [2], и нормативными документами добровольного применения (сводами правил, стандартами, нормами и т.д.), руководители предприятий обязаны обеспечивать пожарную безопасность своих предприятий. Согласно федеральному закону [1], ГОСТу [2] и установившейся традиции в области ПБ эффективное функционирование предприятий, безопасные условия деятельности персонала, защита производственного оборудования и имущества от пожаров, то есть обеспечение пожарной безопасности осуществляется путём создания системы пожарной безопасности (СПБ) на каждом предприятии. Эта система должна быть одной из основных в системе управления предприятием.

Целью проведённой работы является создание трехмерной модели производства бутадиенстирольных термоэластопластов предприятия ОАО «Воронеж синтез каучук» с использованием графического программного пакета САПР ArchiCAD и обеспечение проектируемого объекта наиболее эффективной и надежной системой пожаротушения«рис.1».

Компьютерное моделирование является одним из перспективных методов исследования.

Моделирование – это не только эффективный метод изучения, но также это наиболее универсальный и удобный способ анализа. Зачастую реальные эксперименты просто невозможны: из-за масштабов исследование, из-за больших финансовых затрат. Поэтому применение моделирования процесса позволяет в разы снизить временные и финансовые затраты.

Так моделирование не обошло стороной и область пожарной безопасности. Оно широко применяется при решении различных задач, актуальной из которых является проектирование СПБ и построение требуемого уровня ПБ предприятия. Обеспечение поддержания требуемого уровня ПБ на предприятии представляет собой спектр сложных задач, для решения которых не существует универсальных приёмов. Решение таких задач требует углублённых знаний в области ПБ (по приме-

нению автоматизированных технических средств предотвращения и обнаружения пожаров).

Производство бутадиен-стирольных термоэластопластов предприятия ОАО «Воронеж синткаучук» является опасным объектом, поскольку на немобращаются опасные вещества, горючие жидкости, легковоспламеняющиеся(циклогексан, гексан, стирол) в количестве в 3,25 раза превышающем предельное[3]. На данном производстве высокий уровень пожарной опасности, потенциально могут возникать пожары и взрывы, которые могут привести к значительному ущербу и человеческим жертвам. Кроме того, объекты производства сам по себе являются источниками загрязнения окружающей среды, а при пожарах может произойти неконтролируемая ситуация, которая, в свою очередь, может привести к экологической катастрофе.

Проблемы пожарной безопасности ОАО «Воронежсинтезкаучук» должны быть исследоваться методами системного анализа и основываться на знаниях о технологический процессах, протекающих в производстве, об опасных факторах, сопровождающих процессы, по которым выход за безопасные границы показателей технологических процессов может регистрироваться специальными техническими средствами.

Разработка систем мониторинга и управления пожарной безопасности невозможна без понимания

идетального описания технологических процессов, происходящих в таких системах. Поэтому обязательным этапом работы должно стать построение комплексной модели, на основе которой производится проектирование и разработка технических средств системы и защиты, а затем и ее реализация,

ипрактическое использование. В настоящее время на узле приема и разбавления катализатора, существует порошковая система пожаротушения у которой есть ряд недостатков, например, то, что физические свойства порошка делает его перекачку по трубопроводам гораздо более затруднительной посравнению с жидкостями и газами, огнетушащий порошок сохраняет свои свойства всего пять лет, химическая активность тушащего материала требует своевременного удаления, чтобы избежать нежелательного вступления в химические реакции с предметами.

Моделирование поведения системы при обеспечении пожарной безопасности на объекте ОАО «Воронеж синтез каучук» по производству бутади- ен-стирольных термоэластопластов позволяет проанализировать средства противопожарной защиты на узле приема и разбавления катализатора. В результате чего применение моделирования позволяет, реализовать целесообразную на данном участке новейшую технологию в сфере пожаротушения на опасных производственных объектах – автоматическое газовое пожаротушение.

Трехмерная модель узле приема и разбавления катализатора, предприятия ОАО «Воронеж синтезкаучук» с

применение противопожарной защиты на базе МИЖУ.

Основным принципом газового пожаротушения является снижение концентрации кислорода в зоне пламени до значения, при котором невозможно горение веществ.

Преимуществами газового пожаротушения по сравнению с другими способами тушения являются возможность ликвидации пожара в любом месте защищаемого объема и отсутствие негативного воздействия на защищаемое оборудование и материалы.

Основным элементом УГП является модуль газового пожаротушения, в котором хранится газовое огнетушащее вещество.

Модули газового пожаротушения емкостью до 100л., как правило защищают помещения небольших объемов, не более 2500м³. Свыше этого объема экономически обоснованно применять установки низкого давления на основе модулей изотермических (МИЖУ), основным элементом которого является изотермический резервуар

(УДХ).

Конструкция МИЖУ защищена рядом патентов на полезную модель. В настоящее время имеется большой практический опыт применения установок газового пожаротушения на базе модулей изотермических для жидкой двуокиси углерода на более 180-ти особо опасных производственных объектах нефтегазовой, энергетической и химической отраслей промышленности, как в Российской Федерации, так и в других странах.

Применение мобильной установки МИЖУ приведет к многократному снижению экономических затрат на противопожарную защиту объекта в целом.

Литература

1.Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности".

2.ГОСТ 12.1.004-01. Пожарная безопасность. Общие требования.

3.Декларация промышленной безопасности опасного производственного объекта ОАО «Воронеж синтез каучук» производство бутадиенстирольных термоэластопластов мощностью 50 тысяч тонн в год.

Для повышения износостойкости рабочих поверхностей изделий применяются методы плазменного напыления: атмосферное, вакуумное и плазменное напыление в контролируемой атмосфере

Атмосферное плазменное напыление (Atmospheric plasma spraying (APS))

запатентован Giannini and Ducati в 1960 г., Gage в 1962 г. Базируется на применении Плазменного генератора Гердиена, изобретенного в 1922 г.

Вакуумное плазменное напыление

(Vacuum plasma spraying (VPS), или Low-Pressure

Plasma Spraying(LPPS)) Приоритет изобретение отдают сотруднику фирмы Plasmadyne Мюльбергеру, в 1973 г.

Плазменное напыление в контролируемой атмосфере (Controlled-atmosphere plasma spraying (CAPS)) Mash, Stetson и Hauck в 1961 г. первыми сообщили о напылении плазмой в камере, заполненной инертным газом. Эту технику назвали Inert Plasma Spraying (IPS). Другой способ,

позволяющий изолировать плазменную струю от окружающей атмосферы, был изобретен Okada и Maruo в 1968 г. и назывался Shrouded Plasma Spraying (SPS). В этом способе защитный газ подавался из сопла, присоединенного к аноду плазмотрона, близко к подложке, что позволяло удалять плазмообразующий газ [1].

Рассмотрим данные методы подробнее.

Атмосферное плазменное напыление

является экономичной альтернативой плазменного напыления, поскольку здесь можно отказаться от вакуумной установки. Однако это возможно не с любым порошком. Другими способами нанесения покрытия определенные свойства металлического покрытия часто не достигаются.

Для повышения коэффициента полезного действия турбины температура газа на входе в турбину должна повышаться. Чтобы при этих высоких температурах свыше 800°С не пострадали лопатки турбины, в качестве защиты от окисления и слоя промотора (HVS) адгезии наносится металлическое покрытие, а на него в качестве теплоизоляции - керамическое покрытие. Чтобы керамическое покрытие держалось на промоторе (HVS) адгезии, необходима очень шероховатая поверхность. В настоящее время этот промотор (HVS) адгезии чаще всего наносится вакуумными методами технологии напыления, являющимися

весьма трудоемкими и дорогими. Кроме того, у них отсутствует гибкость в отношении использования в качестве промотора (HVS) адгезии и других материалов помимо MCrAlY. Из этих соображений в настоящее время вакуумные методы начали заменять другими. Одним из этих методов является высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF

- High Velocity Oxygen Fuel). Получение требуемого шероховатого покрытия с помощью процесса газопламенного напыления технологически является довольно сложным. Никакая достаточно шероховатая поверхность не может быть получена, особенно в случае малых углов покрытия, т.е. менее 90° к поверхности [2]. Нанесение покрытия посредством атмосферного плазменного напыления невозможно, поскольку сплав MCrAlY окисляется под действием кислорода воздуха.

Вакуумное напыление ( physical vapour deposition, PVD; напыление конденсацией из паровой

(газовой) фазы) —группа методов напыления покрытий (тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие получается путём прямой конденсации пара наносимого материала.

Различают следующие стадии вакуумного напыления:

Создание газа (пара) из частиц, составляющих напыление;

Транспорт пара к подложке; Конденсация пара на подложке и

формирование покрытия.

К группе методов вакуумного напыления относятся перечисленные ниже технологии, а также реактивные варианты этих процессов.

Методы термического напыления: Испарение электронным лучом (electron

beam evaporation);

Испарение лазерным лучом (pulsed laser deposition, pulsed laser ablation).

Испарение вакуумной дугой

( cathodic arc deposition, Arc-PVD): материал испаряется в катодном пятне электрической дуги.

Эпитаксия молекулярным лучом

(molecular beam epitaxy)

Ионное распыление (sputtering): Исходный материал распыляется бомбардировкой ионным потоком и поступает на подложку.

o Магнетронное распыление

(magnetron sputtering)

o Напыление с ионным ассистированием (ion beam assisted deposition, IBAD)

Имплантация ионов

Вакуумное напыление применяют для создания на поверхности деталей, инструментов

иоборудования функциональных покрытий — проводящих, изолирующих, износостойких, коррозионно-стойких, эрозионностойких, антифрикционных, антизадирных, барьерных и т. д Процесс используется для нанесения декоративных покрытий, например при производстве часов с позолотой и оправ для очков. Один из основных процессов микроэлектроники, где применяется для нанесения проводящих слоёв (металлизации). Вакуумное напыление используется для получения

Материалами для напыления служат мишени из различных материалов, металлов (титана, алюминия, вольфрама, молибдена, железа, никеля, меди, графита, хрома), их сплавов,

соединений (SiO2,TiO2,Al2O3). В технологическую среду может быть добавлен химически активный газ, например ацетилен (для покрытий, содержащих углерод); азот, кислород. Химическая реакция на поверхности подложки активируется нагревом, либо ионизацией и диссоциацией газа той или иной формой газового разряда.

С помощью методов вакуумного напыления получают покрытия толщиной от нескольких ангстрем до нескольких микрон, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует дополнительной обработки.

Химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ) (англ. Chemical vapor deposition, CVD) — плазмохимический процесс, используемый для получения высокочистых твёрдых материалов. Процесс часто используется в индустрии полупроводников для создания тонких плёнок. Как правило, при процессе CVD подложка помещается в пары одного или нескольких веществ, которые, вступая в реакцию и/или разлагаясь, производят на поверхности подложки необходимое вещество. Часто образуется также газообразный продукт реакции, выносимый из камеры с потоком газа.

С помощью CVD-процесса производят материалы различных структур: монокристаллы, поликристаллы, аморфные тела и эпитаксиальные. Примеры материалов: кремний, углеродное волокно, углеродное нановолокно,

углеродные нанотрубки, SiO2, вольфрам, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид титана, различные диэлектрики, а также синтетические алмазы.

Термический CVD с подогревом

стен

Усиленный плазмой CVD Различные виды CVD широко

используются и часто упоминаются в литературе. Процессы различаются по способам запуска химических реакций и по условиям протекания процесса.

Классификация по давлению:

CVD при атмосферном давлении

(Atmospheric Pressure chemical vapor deposition (APCVD)) — CVD-процесс проходит при атмосферном давлении.

CVD при пониженном давлении

(Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD)) — CVD-процесс при давлении ниже атмосферного. Пониженное давление снижает вероятность нежелательных реакций в газовой фазе и ведёт к более равномерному осаждению плёнки на подложку. Большинство современных CVDустановок — либо LPCVD, либо UHVCVD.

Вакуумный CVD (Ultra high vacuum chemical vapor deposition (UHVCVD)) — CVD-

процесс проходит при очень низком давлении, обычно ниже 10−6 Па (~ 10−4 мм рт. ст.).

Классификация по физическим характеристикам пара:

CVD с участием аэрозоля (Aerosol Assisted Chemical vapor deposition (AACVD)) — CVD-процесс в котором прекурсоры транспортируются к подложке с помощью аэрозоля, который может создаваться различными способами, например, ультразвуком.

CVD с прямой инжекцией жидкости (Direct liquid injection chemical vapor deposition (DLICVD)) — CVD-процесс, при котором прекурсор подаётся в жидкой фазе (в чистом виде либо растворённым в растворителе). Жидкость впрыскивается в камеру через инжектор (часто используются автомобильные). Данная технология позволяет достигать высокой производи-тельности формирования плёнки.

Плазменные методы:

CVD активированный микроволновой плазмой (Microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD)).

Усиленный плазмой CVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)) — CVD-процесс, который использует плазму для увеличения скорости реакции прекурсоров. PECVD работает при более низких температурах, что критично при производстве полупроводников.

Усиленный непрямой плазмой CVD

(Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD)) — похоже на PECVD, но подложка не в области разрядки плазмы, что снижает температуру реакции до комнатной.

Иные методы:

Атомно-слоевое CVD (Atomic layer CVD (ALCVD)) — формирует последовательные слои различных материалов для создания многоуровневой кристаллической плёнки.

CVD сгорания (Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD)) — процесс сгорания в открытой атмосфере.

CVD с горячей нитью (Hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) / hot filament CVD (HFCVD)) — также известен, как каталитический CVD (Catalitic chemical vapor

deposition (Cat-CVD)). Использует горячий носитель для ускорения реакции газов.

Металлорганический CVD

Гибридное физико-химическое парофазное осаждение (Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD)) — процесс,

использующий и химическую декомпозицию прекурсора, и испарение твёрдого материала.

Быстродействующее термическое химическое парофазное осаждение (Rapid thermal CVD (RTCVD)) — CVD-процесс, использующий лампы накаливания или другие методы быстрого нагрева подложки. Нагрев подложки без разогрева газа позволяет сократить нежелательные реакции в газовой фазе.

Парофазная эпитаксия (Vapor phase epitaxy (VPE)).

В этих целях весьма перспективно развитие

процессов плазменного напыления покрытий в

контролируемой атмосфере с использованием герметичных газонаполненных камер.

Дальнейшим совершенствованием данной технологии будет являться проведение процесса плазменного напыления в специально сконструированной защитной камере в режиме динамического вакуума.

Особый интерес представляют покрытия из никель-алюминиевых порошков, которые в процессе плазменного напыления образуют алюминиды никеля, отличающиеся высокой твердостью и жаростойкостью. В одних из первых работ, посвященных этому типу покрытий, рассмотрены некоторые особенности формирования никельалюминиевых покрытий и их свойства. Напыление проводили порошком алюминия, частицы которого были покрыты слоем никеля. Обычно соотношение между количеством алюминия и никеля нужно выбирать из расчета получения в процессе формирования покрытия фазы NiAl, отличающейся наиболее высокими защитными свойствами среди других алюминидов никеля. Покрытие может быть успешно нанесено на стали различных марок, алюминиевые сплавы, титан, ниобий, тантал, молибден и другие металлические материалы. Твердость покрытия достигает 75 HRB. Защитные свойства покрытий иллюстрируются следующими примерами: при толщине до 0 25 мм оно защищает молибден от окисления при 1020 С на воздухе более 200 ч, выдерживает многократный циклический нагрев до 980 С и сохраняет свою структуру и высокую жаростойкость вплоть до 1500 - 1600 С. Среди особо ценных свойств покрытия следует отметить хорошее сопротивление расплавам жидких стекол различных марок.

Для напыления применяют в основном плазменные струи, получаемые в дуговых плазмотронах, в которых источником нагрева газа является дуга, горящая между водоохлаждаемыми

электродами. Процесс плазменного напыления легко механизируется и автоматизируется.

Химический состав и физические свойства материала, применяемого для напыления, являются одним из наиболее существенных факторов, влияющих на конечные свойства покрытий. В

процессе плазменного напыления частицы порошка

превращаются в жидкие капельки, увлекаются ионизированным газовым потоком и, попадая на защищаемую поверхность, растекаются, затвердевают и образуют покрытие.

Кроме этого, имеющиеся в промышленности электроплазменные установки работают в ряде случаев с низкой эффективностью.

Например, процесс плазменного напыления ведется с весьма низким коэффициентом использования мощности плазменной струи. Это влечет за собой существенные энергетические затраты и невысокое качество получаемых изделий.

В технологических процессах наращивания предусматривается специальная подготовка материала, предназначенного для нанесения на субстрат, а непосредственно процесс нанесения

нанопокрытия с использованием малогабаритного, мобильного и маневренного оборудования отличается от существующих методов тем, что процесс не требует вакуума и осуществляется при обычных атмосферных условиях, что определяет его низкую трудоемкость и малые энергозатраты.

Литература

1.Mattox, Donald M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing: Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control. Westwood, N.J.: Noyes Publications, 1998.

2.Ивановский Г. Ф., Петров В. И.

Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986. — 232 с.

3.Готра З. Ю. Технология

микроэлектронных устройств. Справочник. — М.: Радио и связь, 1991. — 528 с.