Создание новых пиротехнических источников холодного газа, совершенствование процессов, аппаратов и технологии их производства

Пиротехнические источники газа в настоящее время находят все более широкое применение в противоаварийных устройствах, предназначенных для ликвидации или локализации очага аварии, в которых в качестве рабочего тела используется сжатый газ. Сюда, в частности, относятся порошковые и водопенные огнетушители и автономные пневмо-гидроприводные системы аварийного управления запорной арматурой компрессорных станций на магистралях транспортировки природного газа.

Опыт показывает, что объекты, в которых применяются в качестве рабочего тела пиротехнические источники газа (в нормативной литературе они называются газогенерирующими устройствами — ГГУ), являются наиболее надежными по сохранению рабочих характеристик в процессе длительного хранения до момента использования, но основному назначению. Этим и обусловлено их широкое применение в переносных порошковых огнетушителях, которые в настоящее время являются наиболее массовой разновидностью противоаварийных систем. В последние годы всё более широкое распространение получают модули порошкового пожаротушения (МПП) — устройства, стационарно закреплённые на потолках или стенах помещения, где находятся пожароопасные вещества. Запуск МПП осуществляется электрическим импульсом, который формируется системой автоматического обнаружения очага загорания. Операция запуска модуля при воздействии пускового импульса, то есть выброс порошка, становится простой и надёжной в исполнении, если в качестве источника газа для создания избыточного давления используется пиротехнический источник газа.

Общий годовой объем потребления ГГУ достигает нескольких сот тысяч.

Актуальность работы. Основой функционирования ГГУ является заряд из твёрдого газогенерирующего материала, способного к протеканию самоподдерживающейся реакции полной или частичной газификации. Смеси исходных материалов для изготовления газогенерирующих зарядов являются пожароопасными. До недавнего времени не исключалось использование при их производстве токсичных веществ и легколетучих растворителей, что в значительной степени усложняло технологические процессы их изготовления, предъявляло ряд специфических требований к используемым аппаратам и увеличивало себестоимость.

Настоящая работа посвящена исследованию процессов генерирования газа в пиротехнических источниках и процессов и аппаратов при их массовом производстве с целыо повышения безопасности технологического процесса, вероятности безаварийной работы ГГУ при их применении и снижения себестоимости.

В свое время наибольшим спросом для комплектации порошковых огнетушителей пользовались пиротехнические источники с зарядом на основе азида натрия со сквозной пористостью. В связи с тем, что генерируемый при их срабатывании газ имеет температуру, близкую к окружающей, они получили условное наименование «источник холодного газа» (ИХГ).

Их массовое изготовление было организовано на производственных площадях ФГУП «ФНПЦ «Алтай» с годовым объемом поставок потребителям до 150 тысяч. Однако по ряду технических и экономических причин, в том числе выявленных по мере накопления опыта массовой эксплуатации огнетушителей с ИХГ, их изготовление для систем массового применения оказалось нерентабельным, и отлаженное производство оказалось под реальной угрозой остановки.

Для сохранения производства и поставок ИХГ, которые стали необходимыми для комплектации сотен тысяч огнетушителей, и возможного его расширения потребовалось практически приемлемое решение возникших проблем. Поиск его путей определил актуальность представленной диссертации.

Возможность массового производства и сбыта изделий общепромышленного назначения в условиях рыночной экономики в значительной степени определяется их стоимостью (при условии обеспечения необходимого уровня технических характеристик).

Уровень стоимости, пригодный для массового сбыта, может быть достигнут за счет:

— применения недорого сырья и комплектующих с устойчивой отечественной промышленной базой;

— выбора конструкции, которая позволяет сохранить технологию изготовления и систему контроля, обеспечивающие надёжность при минимальных производственных затратах;

— максимального использования существующего (или серийно выпускаемого отечественной промышленностью) технологического оборудования, отработанных технологических приёмов и обученного производственного персонала для изготовления вновь разработанных изделий.

Очень важным для снижения себестоимости является также разумное с потребительской точки зрения расширение допусков на технические характеристики У при непременном сохранении высокого уровня вероятности безотказной работы изделий.

В соответствии с изложенным, целыо настоящей работы является создание технологических процессов, аппаратов и элементов снаряжения для массового изготовления новых безазидных источников холодного газа для средств порошкового пожаротушения общей массой до 20 кг, безопасных при изготовлении и эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— проведен анализ технических и экономических причин снижения спроса на азидные источники холодного газа на основе рассмотрения конструкций современных порошковых средств пожаротушения, способов и технических харакг теристик узлов создания в них избыточного давления;

— разработан комплекс технических требований к пиротехническому источнику газа, учитывающих конкретные условия его применения;

— проведена разработка материала газогенерирующего заряда и конструкции ИХГ, соответствующих сформулированным требованиям и пригодных для массового изготовления с применением безопасных технологических процессов и аппаратов, на основе расчётных и экспериментальных исследований характеристик продуктов газификации;

— исследован и разработан технологический процесс изготовления фильтра-охладителя продуктов газификации, и выбор его состава и конструкции ;

— проведены экспериментальные исследования влияния отклонений содержания отдельных компонентов на время срабатывания изделия с целыо выбора способов управления значением этого параметра при ведении технологического процесса;

— проведены экспериментальные исследования и выбор режимов технологических процессов и аппаратов для массового изготовления изделий с максимальным использованием существующего оборудования и внедрением нового для повышения безопасности техпроцесса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— на основании результатов проведенных исследований технологических процессов и аппаратов разработаны безопасные режимы для массового изготовления и контроля новых пиротехнических источников газа;

— показано положительное влияние на качество процесса перемешивания как пиротехнических, так и инертных смесей порошкообразных материалов введения в них небольшого (до 5. 10%) количества воды ;

— выявлено оптимальное по удельной газопроизводительности соотношение между содержанием горючего-связующего и окислителя — калиевой селитры в газогенерирующем составе;

— найдена и отработана новая рецептура ряда безазидных газогенерирую-щих материалов с удельной газопроизводительностыо 360.390 л/кг, пригодных для массового изготовления с применением предложенных в работе режимов технологических процессов и аппаратов, использующая недефицитные и относительно недорогие компоненты, безопасные при переработкена разработанные составы получены патенты РФ;

— разработана рецептура и технологический процесс изготовления моноблочного фильтра-охладителя, обеспечивающего снижение температуры продуктов газификации до 400.420 К, пригодной для применения в порошковых пожа-ротушащих устройствах и большинства других противоаварийных объектах;

— для внедрения в производство разработанных технологических процессов и аппаратов создана новая конструкция безазидных пиротехнических источников газа для порошковых пожаротушащих устройств, не требующая дополнительных узлов для монтажа в огнетушителях, с температурой генерируемого газа на 100. 150 К ниже, чем у выпускаемых другими производителямина конструкцию изделия получен патент РФ.

В связи с указанным значительным отличием температуры газов на выходе от аналогов разработанные устройства сохранили название «источники холодного газа».

Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования явились основой для развёртывания рентабельного серийного производства и сбыта ИХГ для переносных порошковых огнетушителей, а также для применения в автоматических модулях пожаротушения (МПП) с массой заряда огнетушащего порошка до 10 кг.

Разработанные конструкции успешно прошли цикл всесторонних испытаний, включая межведомственные, подтвердивших высокую надёжность и безотказность на всех стадиях производства, хранения и эксплуатации. Изделия, созданные по результатам проведённых разработок, внедрены для массового изготовления, выпускаются по техническим условиям, согласованным с ФГУП ВНИИПО МЧС РФ и зарегистрированным в Госстандарте России (per. № 4 475 от 29.04.04 г), имеют санитарно-эпидемиологическое заключение (№ 22.01.03.214.П.000 429.04.04 от 19.04.04) и нашли широкое применение на предприятиях Российской Федерации. В настоящее время сертифицировано 9 модификаций порошковых огнетушителей с массой порошка от 1,6 до 8 кг и 10 модификаций модулей порошкового пожаротушения с массой порошка от 1,8 до 10 кг. Заводами изготовлено около 2 млн. огнетушителей и модулей порошкового пожаротушения с применением ИХГ, разработанных с участием автора.

В настоящих условиях цена прототипа ИХГ, выпускавшегося до внедрения полученных результатов, представленных в диссертации, должна была возрасти на порядок, в то время, как за счёт внедрения в производство найденных научно-технических решений ее удалось удержать на первоначальном уровне цен 1998 г.

Апробация материалов диссертации проведена на XVI научно — практической конференции ВНИИПО МВД РФ «Крупные пожары: предупреждение и тушение» в 2001 г, на XVIII научно-практической конференции ВНИИПО МЧС РФ «Снижение риска гибели людей при пожарах» в 2003 г., на III Всероссийской конференции Томского Госуниверситета «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» в 2002 г, на II и III Всероссийиских научно-практических конференциях ФГУП «ФНПЦ «Алтай» «Проблемы и методология утилизации смесевых твердых топлив, отходов спецпроизводств и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники» в 2001 и 2003 г. (и на конференции «Высокоэнергетические материалы: демилитаризация и гражданское применение» в 2004 г., организованной ФГУП «ФНПЦ «Алтай» и Международным научно-техническим центром.

Результаты разработок в виде конструкций источников холодного газа для порошковых огнетушителей отмечены: Дипломом победителя конкурса «Наша Надежда» г. Барнаул, 2002 г.- Дипломом победителя краевого конкурса «Лучший Алтайский товар — 2000» г.- Дипломом лауреата международной выставки «По-жтех-эксмо» за лучшую конструкторскую разработку, г. Москва, 2002 г.- Дипломом первой национальной премии за укрепление безопасности России «ЗУБР», г. Москва, 2004 г.

На защиту выносятся:

1 Обоснование комплекса требований к составу, конструкции и технологии, которым должен удовлетворять ИХГ для обеспечения рентабельности массового производства при сохранении необходимого уровня потребительских качеств.

2 Результаты экспериментальных исследований параметров технологических процессов и аппаратов для изготовления и контроля ИХГ и апиаратурно-технологическая схема их массового производства.

3 Результаты расчетно-экспериментальных исследований безазидных составов газогенерирующих материалов, не содержащих высокотоксичных и дефицитных компонентов, и рецептурно-технологических путей управления их основными характеристиками, а также фильтров-охладителей и ИХГ в целом, безопасных при изготовлении и эксплуатации.

4 Результаты экспериментального подтверждения возможности применения новых источников холодного газа в порошковых переносных огнетушителях и автоматичеких модулях пожаротушения общей массой до 20 кг, а также в других средствах автоматических модулях и других средствах порошкового пожаротушения с массой порошка до 80 кг.

По материалам диссертации получены 4 патента Pel) и 2 свидетельства на полезную модель. Материалы диссертации опубликованы в 7 статьях.

Работа состоит из ведения, четырёх глав и заключения, включает 164 страницы, в том числе 65 рисунков и список использованных источников из 88 наименований. Приложение занимает 18 страниц.

В первой главе на основе рассмотрения конструкций современных порошковых средств пожаротушения и сравнительного анализа способов и конструкции узлов создания в них избыточного давления формулируются основные технические требования к ИХГ, которые позволяют использовать безопасные технологические процессы и аппараты, являющиеся предметом разработки.

Вторая глава посвящена расчётным и экспериментальным исследованиям характеристик элементов снаряжения, результаты которых положены в основу разработки конструкции и процессов и аппаратов для массового изготовления ИХГ.

В третьей главе изложены результаты исследований и отработки технологических процессов и аппаратов для изготовления ИХГ.

Четвёртая глава посвящена вопросам применения ИХГ и их газогенери-рующих зарядов в различных схемах пожаротушащих устройств.

В Приложении представлены Акты внедрения результатов разработок в производство.

В диссертационной работе использованы результаты экспериментальных и аналитических проработок, проведённых при личном участии автора или под его руководством.

Выводы.

1 Экспериментально подтверждена безопасность ИХГ в условиях аварийных ситуаций при транспортировке.

2 Проведены экспериментальные исследования по расширению номенклатуры ИХГ применительно к 2-литровым огнетушителям, к задаче уменьшения габаритов.

3 Показана техническая возможность использования мощностей созданного производства для изготовления ИХГ повышенной до 1000л суммарной газопроизводительности.

4 С целью расширения объема потребления ИХГ и повышения устойчивости производства проведены экспериментальные исследования и передана в массовое производство конкурентноспособная конструкция модуля порошкового пожаротушения с массой порошка 6 кг.

5 Проведен анализ и подтверждена целесообразность, актуальность и практическая значимость проведенных исследований представлением объемов, номенклатуры и географии сбыта ИХГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 На основе анализа опыта изготовления и эксплуатации пиротехнических источников газа массового применения сформулирован комплекс технических требований, позволяющий исключить из технологического процесса изготовления ИХГ токсичные, взрывоопасные, дефицитные и дорогостоящие основные и вспомогательные материалы.

2 Разработана аппаратурно-технологическая схема массового производства и проведены исследования параметров технологических процессов при изготовлении ИХГ, в результате которых выбраны безопасные режимы работы оборудования и представительные методы контроля.

3 Создан новый состав и конструкция элементов снаряжения (заряда и фильтра — охладителя) и ИХГ в целом, определены рецептурные и технологические приемы для обеспечения заданных рабочих характеристик изделий.

4 В результате исследований рабочих характеристик ряда модификаций ИХГ с газогенерирующими зарядами из разработанных составов БАВ-15А и БАВ-15АК с массой до 2,2 кг показана техническая возможность изготовления по той же технологии газогенерирующих источников зарядов и источников газа для устройств порошкового пожаротушения с массой порошка до 80 кг.

5 Проведенные исследования позволили в условиях прекращения функционирования целого ряда производств, выпускавших традиционные для пиротехники материалы и комплектующие, сохранить и расширить созданное ранее производство пиротехнических устройств общепромышленного назначения, необходимых для отечественной техники противоаварийной защиты, путем перевода его на выпуск ИХГ второго поколения, рентабельных и безопасных в эксплуатации.

6 Достигнутый объем производства и реализации (до 350 шт./год), отсутствие случаев аварийного срабатывания огнетушителей подтверждают правильность принятого направления разработок и практическую значимость результатов исследований, представленных в настоящей работе.