Каталог

Помощь

Корзина

Классификация пожаров и их параметры. Лекция 1

Оригинальный документ?

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЖАРОВ И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Решение научных и технических проблем обеспечения пожаровзрыво-безопасности различных объектов в современных условиях является весьма актуальным в связи с увеличением числа аварий, пожаров, стихийных бедствий, террористических актов и других подобных явлений. Для успешного решения этих сложных проблем наряду с принятием мер административного, экономического, юридического характера, необходим фундаментальный подход, который базируется не только на экспериментальном материале, а на научных представлениях о процессе пожара, механизмах возникновения, развития процессов горения, так и их прекращения.

Поэтому целью преподавания дисциплины "Физико-химические основы развития и тушения пожаров" является знакомство курсантов с физическими и химическими основами прогнозирования развития пожаров и процессов их тушения пожаров.

Освоение курсантами законов термодинамики, химической кинетики и приобретение навыков их практического использования является необходимым условием успешного решения сложных задач пожаротушения на современных объектах.

Данная дисциплина выступает в качестве теоретической базы для изучения специальных курсов, таких, как "Пожарная безопасность технологических процессов", "Прогнозирование опасных факторов пожара", "Пожарная тактика", "Пожарная техника" и др.

В курсе "Физико-химических основ развития и тушения пожаров" широко используются элементы математического анализа, а также различные физические методы исследования. Поэтому для успешного освоения дисциплины курсанты должны владеть основами высшей математики и физики в объеме вузовской программы, а также быть знакомыми с разделами общей химии.

 

Основные понятия и определения.

Определение пожара, как физического явления и его отличительные особенности в современных условиях.

В соответствии с литературой по пожарной безопасности можно дать следующее определение пожару как физическому явлению. "Пожар - это неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материаль­ный ущерб". Абдурагимовым и др. для специалистов пожарной охраны дается более развернутое определение: "Пожар - это процесс горения, возникающий непроизвольно (или по злому умыслу), который будет развиваться и продолжаться до тех пор, пока либо не выгорят все горючие вещества и материалы, либо не возникнут условия, приводящие к самопотуханию (случай весьма редкий, но теоретически возможный), либо пока не будут приняты специальные активные меры по его локализации и тушению". Из этих определений следует:

1.   основой пожара является процесс горения, который представляет собой сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождаемый интенсивным выделе­нием тепла, дыма и световым излучением. В основе процесса горения лежат быстротекущие реакции окисления в атмосфере воздуха. Особенностями горения на пожаре от других видов горения являются:

а) склонность к самопроизвольному распространению огня; б) сравни­тельно невысокая степень полноты сгорания; в) интенсивное выделение дыма, содержащего продукты полного и неполного окисления;

2. поскольку процесс горения возникает непроизвольно или по злому умыслу, то никакие предварительные меры не могут полностью исключить вероятность его возникновения;

3. для уменьшения степени опасности пожара и материального ущерба, не­обходимо применить предварительные профилактические меры по его предотвращению, а в случае возникновения пожара - к ограничению ин­тенсивности его развития, локализации и тушению.

Пожар как явление может принимать различные формы, однако все они в конечном счете сводятся к химической реакции между горючими веществами и кислородом воздуха. При надлежащем использовании эта реакция приносит огромную пользу как источник энергии и тепла для удовлетворения потребностей промышленности и бытовых нужд. Но, будучи неконтролируемой, она может привести к материальным и людским потерям.

Городские пожары случались еще до нашей эры, и многие старейшие города мира, такие как Москва или Лондон, уничтожались огнем полностью или частично по нескольку раз за свою историю.

Одно из ранних свидетельств о пожаре на химическом производстве относится к 1579 году. Предприятие сгорело дотла из-за того, что из бутыли разлилась азотная кислота. Первая крупная авария с пожаром углеводород­ных газов произошла в 1944 году в США, когда утечка сжиженного природного газа привела к гибели 130 человек и значительному материальному ущербу. Первой крупной аварией, связанной с сжиженным нефтяным газом, была в США в 1959 году; при этом погибло 23 человека.

Непосредственные убытки в мире от пожаров в настоящее время оцениваются ежегодно в цифру 6 млн. $. Международная национальная ассоциация по противопожарной безопасности утверждает, что в 1994 г. было сообщено о приблизительно 107 800 пожаров, связанных с поджогом.

Приведем сравнительные данные числа жертв и ущерба от пожаров в различных странах за 1978-1981 гг. (табл. 1).


Таблица 1

Сравнительные данные числа жертв и ущерба от пожаров в различных странах за 1978-1981 гг.

Страна

Среднее число жертв за год

Среднее число жертв на 1 млн. жителей

Убытки (в % от ВНП)

ЮАР

882

32

0.19

Канада

994

31

0.29

США

7630

29

0.23

Норвегия

77

19

0.40

Великобритания

992

18

0.18

Швеция

140

16

0.26

Австралия

157

11

0.24

Австрия

73

7

0.24

Франция

283

5

0.27

Нидерланды

81

6

0.21

Швейцария

69

3

0.08

 

Статистические данные о пожарах в Российской Федерации за 2004 г. приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, число зарегистрированных пожаров по сравнению с 2003 г. снизилось на 3.3 %, материальный ущерб от них воз рос на 40.1 %, число погибших снизилось на 4.7 %.

На пожаре одновременно протекают много различных явлений и процессов. Одни из них присущи всем пожарам, другие возникают только на не­которых. Рассмотрим процессы и явления, характерные для всех пожаров:

1. горение с выделением тепла в зоне горения продуктов горения;

2. массообмен (точнее, газообмен), который осуществляется за счет конвек­тивных газовых потоков, обеспечивающих отвод продуктов горения (СО2, Н2О и др.) и подвод свежего воздуха (в частности, кислорода) в зону горения;

2.  передача тепла из зоны горения в окружающее пространство (в том числе горючим материалам), без которого невозможно непрерывное самопроиз­вольное продолжение процесса горения на пожаре, его развитие и распро­странение.

Эти процессы неразрывно взаимосвязаны и взаимообусловлены. Дру­гие явления встречаются лишь на некоторых пожарах:

1.    выделение продуктов неполного сгорания и токсичных про­дуктов разложения горючих веществ;

2.    задымление;

3.    деформация или обрушение конструкций;

4.    разрыв стенок резервуаров со сжатыми газами;

5.    взрыв сосудов и резервуаров с горючими газами;

6. повреждение коммуникационных  систем  (электросиловых, связи, водоснабжения и т.д.);

7.     выброс горючих жидкостей и т.д.

Эти вторичные явления чрезвычайно важны, особенно с точки зрения предупреждения пожаров, тактики тушения и организации боевой работы на пожаре.

Особую опасность с точки зрения динамики пожаров представляют взрывы. Взрывы возникают внезапно, развиваются с большой скоростью и сопровождаются выделением огромной механической энергии. Они облада­ют большой разрушительной силой и сопровождаются человеческими жерт­вами. Взрыв - это быстрое сгорание взрывоопасной смеси, сопровождаю­щееся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. Выделившееся тепло недостаточно быстро отводится в окружающее пространство, поэтому происходит нагрев и расши­рение продуктов горения, которыми являются газы и пары воды, что приво­дит к резкому повышению давления в замкнутом объеме. Когда давление превышает конструкционную прочность сосуда или резервуара, то происхо­дит их механическое разрушение.

В том случае, когда взрыв происходит внутри сосуда, резервуара, реак­тора, отдельного помещения или здания и не приводит к его разрушению, лишь резко повышается давление и температура в нем, то он не представляет особой опасности, так как приводит к временному нарушению технологиче­ского процесса. Взрывы, связанные с обрушением зданий, обрывом комму­никаций будут рассматриваться в специальных дисциплинах.

Новые проблемы обеспечения пожарной безопасности возникают в связи с новыми строительными и архитектурно-планировочными решениями современных объектов, а также с высокими темпами строительства нефтепе­рерабатывающей промышленности.

С одной стороны, повысилась пожарная безопасность зданий за счет использования специальных огнестойких материалов и конструкций. Кроме того, усовершенствовались системы освещения, отопления, вентиляции. По­этому пожар редко распространяется за пределы одного здания.

С другой стороны, огромные производственные площади (ВАЗ в Тольятти, КАМАЗ в Набережных Челнах), высотные дома с лестничными клетками и лифтовыми шахтами, зрелищные залы, павильоны и администра­тивные здания на десятки тысяч человек представляют повышенную пожар­ную опасность.

С развитием химической промышленности, технологии производства синтетических полимерных материалов для отделки зданий используются новые конструкционные и декоративно-отделочные материалы, которые легки, красивы, высокопрочны, долговечны, экономически выгодные. Но многие из них горючие материалы, обладающие токсичными свойствами и большой дымообразующей способностью. Поэтому при возникновении пожаров в таких помещениях складывается сложная обстановка по развитию пожара, токсичности продуктов сгорания, по изысканию средств и методов эффективного прекращения пожара.

В последние годы резко повысилась взрывная и пожарная опасность многих производств. Это связано с резким увеличением энергосиловых установок, расхода горючих газов, жидкостей, сыпучих и твердых горючих материалов, использованием высоких температур и давлений в техноло­гических процессах. Все это приводит к повышению пожарной опасности производств. Поэтому современные промышленные и жилые объекты требуют новых эффективных приемов и способов тушения пожаров. Для тушения пожаров, связанных с горением ЛВЖ, ГЖ, металлоорганических соединений, гидридов бора и алюминия, или сложных пожаров на аэродромах, в местах большого скопления людей, кроме воды, необходимо использование новых огнетушащих средств: порошковых, пенных, химически активных и комбинированных. Разрабатываются новые приемы и способы их подачи в зону горения. Разработаны объемные и объемно-локальные способы тушения пожаров; приемы и способы защиты и эвакуации людей из опасных зон.

Для прогнозирования развития пожаров на объектах, разработки эффективных методов их локализации и тушения, создания новых эффективных средств и способов тушения пожаров необходимо глубокое изучение дисциплины "Физико-химические основ развития и тушения пожаров".

Основные стадии пожара.

По своему развитию и динамике пожар условно разделяют на несколько стадий. Так, например, при пожаре в закрытых помещениях различают следующие основные стадии: фаза загорания, начало пожара, стадия объемного развития и распространения пожара, фаза стационарного горения и стабилизации параметров пожара, снижение интенсивности пожара, включая фазы затухания и догорания.

Фаза загорания. Пожар начинается с возникновения открытого пламенного горения или тления на небольшом участке. Пламя, возникшее от постореннего источника зажигания, медленно распространяется по поверхности горючего материала. Эта фаза длится 1-3 мин.

Начало пожара. Поверхность горючего материала начинает прогреваться на большую глубину. Пламя увеличивается, продолжая распространяться по поверхности горючего материала на те зоны, где поверхностный слой нагрелся до температуры, равной или выше температуры его воспламенения. Эта фаза длится 5-10 мин

Стадия объемного развития пожара. Температура в закрытом объеме достигает 200-300 °С. Пламя заполняет весь объем помещения.

Фаза распространения пожара. Возникает не всегда. При температуре выше 300 оС происходит разрушение осте-кления. Огонь вырывается наружу, за пределы помещения.

Фаза стационарного горения и стабилизации параметров пожара наступает обычно на 20-25 мин и длится 30 мин и более.

Снижение интенсивности пожара происходит за счет образования обугленного слоя на поверхности горючего материала толщиной 5-10 мм, что приводит к уменьшению доступа кислорода к месту горения, проникновению тепла вглубь и выходу летучих фракций из горючего мате-риала. На заключительной стадии происходит переход горения в тление, которое может продолжаться достаточно длительное время.

Следует сказать, что временные интервалы всех стадий пожара очень сильно зависят от природы горючего материала, температуры окружающей среды и других факторов и поэтому достаточно условны.

Более подробно эти стадии будут рассмотрены нами при изучении динамики пожара.


Зоны пожара.

Для изучения пожаров, научно обоснованной системы мер профилактики, четкой организации руководства боевыми действиями по тушению пожаров пожар условно делят на три зоны горения (рис. 1).

Зона горения. Зоной горения называется часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению (подогрев, испарение, разложение) и их горение. Она включает в себя объем паров и газов, ограниченный собственно зоной горения и поверхностью горящих веществ.

При беспламенном горении и тлении, например, хлопка, торфа, кокса, войлока и других твердых горючих веществ и материалов зона горения совпадает с поверхностью горения

Зона горения ограничивается конструктивными элементами - стенками здания, резервуаров, аппаратов и т.д. В зоне горения, а именно, во фронте горения, выделяется все тепло и развивается самая высокая температура (Тф.гТпламени Тповат.). Температура у поверхности горючего материала близка к температуре разложения твердых горючих веществ и материалов и к температуре кипения ЛВЖ и ГЖ.

Схема распределения температур факела пламени при горении газообразных, жидких и твердых веществ показана на рис. 2.

Зона теплового воздействия. Зоной теплового воздействия называется часть пространства, примыкающая к зоне горения, в котором тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в нем людей без специальной тепловой защиты (теплозащитные костюмы, отражательные экраны, водяные завесы и т.д.).

Если в зоне теплового воздействия находятся горючие вещества или материалы, то под воздействием тепловых потоков происходит их подготовка к горению, создаются условия для воспламенения и распространения огня. Расширяется зона горения и зона теплового воздействия. Этот процесс повторяется непрерывно.

Тепло из фронта горения распространяется в окружающее пространство как конвекцией, так и излучением. Конвективные токи горячих газов направлены вверх, а количество тепла, переносимое в единицу времени (Qк) пропорционально градиенту температур между газом-теплоносителем (Тг) и тепловоспринимающей средой (Го), коэффициенту теплообмена (aк), площади теплообмена (F), и определяется по закону Ньютона:

Qк = aк. (ТгTо). F

Тепло, излучаемое пламенем, распространяется по всем направлениям полусферического пространства. Интенсивность излучения пламенем зави­сит от его температуры и излучательной способности, и определяется зако­ном Стефана-Больцмана

Q = σо..ε . TФормула 1. F

σо - коэффициент излучения черного тела; ε - степень черноты тела; Тг -температура в зоне горения; F - площадь излучения.

Зона теплового воздействия на внутренних пожарах меньше по размерам, чем на открытых, так как стены здания играют роль экранов, а площадь проемов, через которые возможно излучение, невелика. Дым, который выделяется на внутренних пожарах, снижает интенсивность излучения, поскольку является хорошей поглощающей средой.

Направления передачи тепла в зоне теплового воздействия на открытых и закрытых пожарах также различны. На открытых пожарах верхняя часть зоны теплового воздействия энергетически более мощная, пос­кольку конвективные потоки и излучение совпадает по направлению. На внутренних пожарах передача тепла излучением может не совпадать с передачей тепла конвекцией. Поэтому зона теплового воздействия может состоять из участков, где действует излучение или только конвекция, либо оба тепловых потока действуют вместе.

При тушении пожаров важно знать границы зоны теплового воздействия. Ближней границей зоны теплового воздействия является зона горения, а дальняя определяется по температуре в данной точке пространства или по интенсивности лучистого потока. Температура дальней границы пространства превышает 60-70°С. По интенсивности лучистого теплового потока принимают такое удаление от зоны горения, где лучистое тепло, воздействуя на незащищенные участки тела человек, вызывает болевое ощущение не мгновенно, а через промежуток времени, соизмеримый со временем, необходимым пожарному для тушения пожара. Это время определяют экспериментально. Для внутренних пожаров при средней интенсивности их развития и использовании пожарными современных огнегасящих средств (тонкораспыленная вода с добавками смачивателя и загустителя) это время условно принято равным 15 сек. За дальнюю границу зоны теплового воздействия условно принимают интенсивность лучистого потока ~3500 Вт/м2.

В табл. 3 приведены значения интенсивности излучения пламени при горении штабелей древесины при различном расстоянии от них. Из таблицы видно, что безопасным расстоянием для присутствия людей, не защищенных специальными средствами от лучистой энергии, является расстояние ~30 м. Безопасное расстояние (Lбезоп) при пожарах штабелей древесины может быть определено по эмпирической формуле:

Lбезоп.= 1.6Н, где Н - общая высота штабеля и пламени.

Таблица 3

Интенсивность излучения пламени при горении штабелей древесины

 

Высота штабелей,  м; ширина 14 м              

Максимальная высота пламени, м

Максимальная температура пламени, оС

Интенсивность излучения пламени, Вт/м2 на расстоянии

10м

15м

20м

25м

6.0

8

1300

13980

11890

8500

4540

9.5

12

1300

13980

12580

9070

4890

 

Зона задымления. Зоной задымления называется часть пространства, примыкающая к зоне горения и заполненная дымовыми газами, концентрация которых создает угрозу жизни и здоровью людей, или затрудняющая действия пожарных подразделений. Зона задымления - самая большая часть пространства. Это объясняется тем, что дым представляет со­бой аэрозоль (смесь воздуха с газообразными продуктами полного и непол­ного горения и мелкодисперсной жидкой или твердой фазой), который легко вовлекается в движение конвективными потоками и разносится на значи­тельные расстояния.

Особое значение зона задымления имеет на внутренних пожарах, т.е. в зданиях. На открытых пожарах дым поднимается выше зоны действия лю­дей. Положение зоны задымления на открытых пожарах зависит от площади пожара и метеорологических условий. Из практики известно, что максималь­ное задымление бывает при скорости ветра 2-6 м/с. При скорости ветра меньше 2 м/с дым почти не прижимается к земле, а уходит вверх, не препят­ствуя работе пожарных. При скорости ветра больше 8 м/с дым хоть и прижи­мается к земле, но интенсивные воздушные потоки сильнее разбавляют его и не создают плотного задымления, препятствующего работе пожарного соста­ва.

Параметрами для определения внешних предельных границ задымленности являются:

- степень видимости в зоне задымления;

- концентрация кислорода, которая не должна быть ниже 12-15 %;

- наличие опасных концентраций токсичных продуктов пиролиза и горения материалов.

Плотность дыма, состав продуктов горения и пиролиза, скорость дымовыделения зависят от химической структуры горючего материала, его плотности, размеров, теплового потока, поступающего к нему, температуры горения, коэффициента избытка воздуха.

При температуре 60-70 °С и высокой влажности создаются тяжелые ус­ловия для организма человека, особенно при физической нагрузке. Таким об­разом, четкой внешней границы задымления нет. При работе личного состава в зоне задымления пользуются практическими рекомендациями.