Химия и физика огня

Огонь – это проявление неконтролируемого горения. Он включает в себя горючие материалы, которые находятся вокруг нас в зданиях, в которых мы живем, работаем и отдыхаем, а также широкий спектр газов, жидкостей и твердых тел, которые встречаются в промышленности и торговле. Обычно они основаны на углероде и могут называться вместе топливо в контексте этого обсуждения. Несмотря на большое разнообразие этих видов топлива как по химическому, так и по физическому состоянию, в пожаре они имеют общие черты. Различия встречаются в легкости, с которой может быть инициирован огонь (зажигание), скорость, с которой может развиваться пожар (распространение пламени), и мощность, которая может быть получена (скорость тепловыделения), но по мере того, как наше понимание науки о пожаре улучшается, мы становимся более способными количественно оценивать и прогнозировать поведение пожара и применять наши знания к пожарной безопасности в целом. Цель этого раздела состоит в том, чтобы рассмотреть некоторые основополагающие принципы и дать рекомендации по пониманию процессов пожара.

Основные понятия

Горючие материалы окружают нас повсюду. При соответствующих обстоятельствах их можно заставить сжечь, подвергнув источник воспламенения который способен инициировать самоподдерживающуюся реакцию. В этом процессе «топливо» вступает в реакцию с кислородом воздуха с выделением энергии (тепла), при этом превращаясь в продукты сгорания, некоторые из которых могут быть вредными. Необходимо четко понимать механизмы воспламенения и горения.

Большинство повседневных пожаров связаны с твердыми материалами (например, древесиной, изделиями из дерева и синтетическими полимерами), хотя газообразные и жидкие виды топлива не являются чем-то необычным. Перед обсуждением некоторых основных понятий желательно сделать краткий обзор горения газов и жидкостей.

Диффузионное и предварительно смешанное пламя

Горючий газ (например, пропан, C₃H₈) можно сжечь двумя способами: струю или струю газа из трубы (ср. простую бунзеновскую горелку с закрытым воздухозаборником) можно воспламенить и сгореть как диффузионное пламя в которых горение происходит в тех регионах, где газообразное топливо и воздух смешиваются диффузионными процессами. Такое пламя имеет характерное желтое свечение, указывающее на наличие мельчайших частиц сажи, образовавшихся в результате неполного сгорания. Некоторые из них сгорят в пламени, а другие выйдут из острия пламени и сформируются. дым.

Если газ и воздух тщательно перемешаны перед воспламенением, то произойдет предварительное сгорание при условии, что смесь газа с воздухом находится в диапазоне концентраций, ограниченном нижним и верхним значениями. пределы воспламеняемости (см. таблицу 1). Вне этих пределов смесь негорючая. (Обратите внимание, что предварительно смешанное пламя стабилизируется на входе горелки Бунзена, когда воздухозаборник открыт.) Если смесь легко воспламеняется, то она может воспламениться от небольшого источника воспламенения, такого как электрическая искра. стехиометрический наиболее легко воспламеняется смесь, в которой количество присутствующего кислорода находится в правильной пропорции для сжигания всего топлива до углекислого газа и воды (см. прилагаемое ниже уравнение, в котором азот присутствует в той же пропорции, что и на воздухе, но в реакции участия не принимает). Пропан (С₃H₈) является горючим материалом в этой реакции:

C₃H₈ + 5О₂ + 18.8Н₂ = 3СО₂ + 4H₂О + 18.8 Н₂

Электрический разряд мощностью всего 0.3 мДж достаточен для воспламенения стехиометрической смеси пропан/воздух в проиллюстрированной реакции. Это представляет собой едва заметную статическую искру, которую испытал человек, прошедший по синтетическому ковру и прикоснувшийся к заземленному предмету. Еще меньшее количество энергии требуется для некоторых реактивных газов, таких как водород, этилен и этин. В чистом кислороде (как в приведенной выше реакции, но без азота в качестве разбавителя) достаточно даже более низких энергий.

Таблица 1. Нижний и верхний пределы воспламеняемости на воздухе

Диффузионное пламя, связанное с потоком газообразного топлива, является примером режима горения, наблюдаемого при пламенном горении жидкого или твердого топлива. Однако в этом случае пламя питается парами топлива, образующимися на поверхности конденсированной фазы. Скорость подачи этих паров связана со скоростью их горения в диффузионном пламени. Энергия передается от пламени к поверхности, таким образом обеспечивая энергию, необходимую для производства паров. Это простой процесс испарения жидкого топлива, но для твердого топлива необходимо обеспечить достаточно энергии, чтобы вызвать химическое разложение топлива, разбивая большие полимерные молекулы на более мелкие фрагменты, которые могут испаряться и улетучиваться с поверхности. Эта тепловая обратная связь необходима для поддержания потока паров и, следовательно, для поддержания диффузионного пламени (рис. 1). Пламя можно потушить, вмешиваясь в этот процесс несколькими способами (см. ниже).

Рис. 1. Схематическое изображение поверхности горения, показывающее процессы тепло- и массопереноса.

Теплоотдача

Понимание переноса тепла (или энергии) является ключом к пониманию поведения пожара и пожарных процессов. Тема заслуживает тщательного изучения. Есть много прекрасных текстов, к которым можно обратиться (Welty, Wilson and Wicks, 1976; DiNenno, 1988), но для настоящих целей необходимо лишь привлечь внимание к трем механизмам: проводимости, конвекции и излучению. Основные уравнения для стационарного теплообмена () таковы:

Проводимость:   

Конвекция:    

Радиация:      

Теплопроводность имеет отношение к передаче тепла через твердые тела; (k свойство материала, известное как теплопроводность (кВт/мК) и l это расстояние (м), на котором температура падает от T₁ в T₂ (в градусах Кельвина). Конвекция в этом контексте относится к передаче тепла от жидкости (в данном случае воздуха, пламени или продуктов горения) к поверхности (твердой или жидкой); h - коэффициент конвективной теплопередачи кВт/м²K) и зависит от конфигурации поверхности и характера обтекания этой поверхности жидкостью. Излучение похоже на видимый свет (но с большей длиной волны) и не требует промежуточной среды (оно может проходить через вакуум); e - коэффициент излучения (эффективность, с которой поверхность может излучать), s - постоянная Стефана-Больцмана (). Тепловое излучение распространяется со скоростью света (3 х 10⁸ м/с), а находящийся между ними твердый объект будет отбрасывать тень.

Скорость горения и скорость тепловыделения

Теплопередача от пламени к поверхности конденсированных топлив (жидких и твердых тел) представляет собой смесь конвекции и излучения, хотя последнее преобладает, когда эффективный диаметр пламени превышает 1 м. Скорость горения (, (г/с)) можно выразить формулой:

тепловой поток от пламени к поверхности (кВт/м²); - потери тепла с поверхности (например, за счет излучения и теплопроводности через твердое тело), ​​выраженные в виде потока (кВт/м²); A_{топливо} площадь поверхности топлива (м²); а также L_v - теплота газификации (эквивалентная скрытой теплоте испарения жидкости) (кДж/г). Если пожар развивается в замкнутом пространстве, горячие дымовые газы, поднимающиеся от огня (под действием плавучести), отклоняются под потолок, нагревая верхние поверхности. Образовавшийся слой дыма и горячие поверхности распространяются вниз к нижней части ограждения, в частности к поверхности топлива, увеличивая тем самым скорость горения:

в котором дополнительное тепло, подведенное излучением от верхней части ограждения (кВт/м²). Эта дополнительная обратная связь приводит к значительному увеличению скорости горения и к явлению вспышки в закрытых помещениях, где есть достаточный запас воздуха и достаточное количество топлива для поддержания огня (Drysdale 1985).

Скорость горения сдерживается величиной величины L_v, теплота газификации. Для жидкостей этот показатель, как правило, низкий, а для твердых веществ – относительно высокий. Следовательно, твердые тела имеют тенденцию гореть намного медленнее, чем жидкости.

Утверждалось, что наиболее важным отдельным параметром, определяющим поведение материала (или совокупности материалов) при пожаре, является скорость тепловыделения (RHR), которая связана со скоростью горения уравнением:

где – эффективная теплота сгорания топлива (кДж/г). В настоящее время доступны новые методы измерения RHR при различных тепловых потоках (например, конусный калориметр), и теперь можно измерять RHR крупных предметов, таких как мягкая мебель и облицовка стен, в крупномасштабных калориметрах, использующих потребление кислорода. измерения для определения скорости выделения тепла (Бабраускас и Грейсон, 1992).

Следует отметить, что по мере увеличения размеров пожара увеличивается не только скорость тепловыделения, но и скорость образования «продуктов огня». Они содержат токсичные и вредные вещества, а также твердые частицы дыма, выход которых увеличивается, когда пожар, развивающийся в ограждении здания, становится недостаточным.

Зажигание

Воспламенение жидкости или твердого вещества включает повышение температуры поверхности до тех пор, пока пары не будут выделяться со скоростью, достаточной для поддержания пламени после воспламенения паров. Жидкие виды топлива можно классифицировать по их горячие точки, самая низкая температура, при которой на поверхности находится воспламеняющаяся смесь пар/воздух (т. е. давление пара соответствует нижнему пределу воспламеняемости). Их можно измерить с помощью стандартного прибора, и типичные примеры приведены в таблице 2. Для получения достаточного потока паров, необходимого для поддержания диффузионного пламени, требуется несколько более высокая температура. Это известно как огневая точка. Для горючих твердых веществ справедливы те же концепции, но требуются более высокие температуры, поскольку происходит химическое разложение. Температура воспламенения обычно превышает 300 ° C, в зависимости от топлива. Как правило, огнезащитные материалы имеют значительно более высокую температуру воспламенения (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Температуры вспышки и воспламенения жидких и твердых топлив

л = жидкость; с = твердый.
¹ Аппарат Пенского-Мартенса в закрытом тигле.
² Жидкости: аппаратом Cleveland с открытым тиглем. Твердые вещества: Драйсдейл и Томсон (1994).
(Обратите внимание, что результаты для огнестойких материалов относятся к тепловому потоку 37 кВт/м²).

Таким образом, легкость воспламенения твердого материала зависит от легкости, с которой температура его поверхности может быть повышена до точки воспламенения, например, под воздействием лучистого тепла или потока горячих газов. Это в меньшей степени зависит от химии процесса разложения, чем от толщины и физических свойств твердого тела, а именно его теплопроводность (k), плотность (r) и расширение теплоемкость (c). Тонкие твердые тела, такие как древесная стружка (и все тонкие срезы), могут очень легко воспламениться, потому что они имеют низкую тепловую массу, то есть для повышения температуры до точки воспламенения требуется относительно небольшое количество тепла. Однако, когда тепло передается поверхности толстого твердого тела, часть тепла будет передаваться с поверхности в тело твердого тела, тем самым замедляя повышение температуры поверхности. Теоретически можно показать, что скорость повышения температуры поверхности определяется тепловая инерция материала, то есть продукта KRC. Это подтверждается на практике, так как толстые материалы с высокой тепловой инерцией (например, дуб, твердый полиуретан) воспламеняются при заданном тепловом потоке достаточно долго, а толстые материалы с низкой тепловой инерцией (например, волокнистая изоляционная плита, пенополиуретан) быстро воспламеняются (Drysdale 1985).

Источники воспламенения

Зажигание схематично показано на рисунке 2 (пилотное зажигание). Для успешного зажигания источник воспламенения должна быть способна не только повышать температуру поверхности до точки воспламенения или выше, но также должна вызывать воспламенение паров. Набегающее пламя будет действовать в обоих направлениях, но навязанный радиационный поток от удаленного источника может привести к выделению паров при температуре выше точки воспламенения без воспламенения паров. Однако, если выделяющиеся пары достаточно горячие (что требует, чтобы температура поверхности была намного выше температуры воспламенения), они могут самовозгораться при смешивании с воздухом. Этот процесс известен как самовозгорание.

Рисунок 2. Сценарий пилотного зажигания.

Можно определить большое количество источников воспламенения, но у них есть одна общая черта: они являются результатом той или иной формы небрежности или бездействия. Типичный список включает открытое пламя, «материалы для курения», фрикционный нагрев, электрические устройства (обогреватели, утюги, плиты и т. д.) и так далее. Отличный обзор можно найти у Cote (1991). Некоторые из них приведены в таблице 3.

Таблица 3. Источники воспламенения

Следует отметить, что тлеющие сигареты не могут непосредственно инициировать пламенное горение (даже в обычном газообразном топливе), но могут вызвать тлеющий в материалах, которые имеют склонность к этому типу горения. Это наблюдается только с материалами, обугливающимися при нагревании. Тление включает поверхностное окисление полукокса, при котором локально выделяется достаточно тепла для образования свежего кокса из соседнего несгоревшего топлива. Это очень медленный процесс, но в конечном итоге он может перейти в пламя. После этого огонь будет развиваться очень быстро.

Материалы, склонные к тлению, также могут проявлять явление саморазогрева (Bowes 1984). Это происходит, когда такой материал хранится в больших количествах и таким образом, что тепло, выделяемое медленным поверхностным окислением, не может уйти, что приводит к повышению температуры внутри массы. Если условия правильные, это может привести к неконтролируемому процессу, который в конечном итоге перерастет в реакцию тления на глубине материала.

Распространение пламени

Основным компонентом в развитии любого пожара является скорость, с которой пламя будет распространяться по соседним горючим поверхностям. Распространение пламени можно смоделировать как продвигающийся фронт воспламенения, в котором передняя кромка пламени действует как источник воспламенения топлива, которое еще не горит. Скорость распространения определяется частично теми же свойствами материала, которые контролируют легкость воспламенения, а частично взаимодействием между существующим пламенем и поверхностью перед фронтом. Вверх вертикальное распространение является наиболее быстрым, поскольку плавучесть обеспечивает движение пламени вверх, подвергая поверхность над областью горения прямой передаче тепла от пламени. Этому следует противопоставлять распространение по горизонтальной поверхности, когда пламя из зоны горения поднимается вертикально, от поверхности. Действительно, общеизвестно, что вертикальное распространение является наиболее опасным (например, распространение пламени по занавескам и драпировкам, а также по свободной одежде, такой как платья и ночные рубашки).

На скорость распространения также влияет наложенный поток лучистого тепла. При развитии пожара в помещении площадь пожара будет расти быстрее при возрастающем уровне радиации, которая накапливается по мере распространения пожара. Это будет способствовать ускорению роста пожара, характерному для перекрытия.

Теория пожаротушения

Тушение и подавление пожара можно исследовать с точки зрения приведенного выше наброска теории пожара. Процессы горения в газовой фазе (т. е. пламенные реакции) очень чувствительны к химическим ингибиторам. Несколько из антипирены используемые для улучшения «огнестойкости» материалов, основаны на том факте, что небольшое количество ингибитора, выделяемого вместе с парами топлива, подавляет установление пламени. Присутствие антипирена не может сделать горючий материал негорючим, но может затруднить воспламенение, возможно, полностью предотвратив воспламенение при условии, что источник воспламенения невелик. Однако, если огнезащитный материал попадает в существующий пожар, он будет гореть, поскольку высокие тепловые потоки подавляют действие антипирена.

Тушить пожар можно несколькими способами:

1. прекращение подачи паров топлива

2. тушение пламени химическими огнетушителями (ингибирование)

3. прекращение подачи воздуха (кислорода) к огню (тушение)

4. «выброс».

Контроль потока паров топлива

Первый способ, прекращение подачи паров топлива, явно применим к газоструйному пожару, при котором подачу топлива можно просто перекрыть. Тем не менее, это также самый распространенный и безопасный метод тушения пожара, связанного с конденсированным топливом. В случае пожара с участием твердого тела требуется охлаждение поверхности топлива ниже точки воспламенения, когда поток паров становится слишком мал, чтобы поддерживать пламя. Наиболее эффективно это достигается подачей воды как вручную, так и с помощью автоматических систем (разбрызгиватели, разбрызгиватели и т. д.). В общем случае с жидкостными пожарами нельзя бороться таким образом: жидкое топливо с низкой температурой воспламенения просто не может быть достаточно охлаждено, а в случае с высокотемпературным горючим происходит интенсивное испарение воды при контакте с горячей жидкостью на поверхность может привести к выбросу горящего топлива из контейнера. Это может иметь очень серьезные последствия для тех, кто борется с огнем. (Есть некоторые особые случаи, когда для борьбы с последним типом пожара может быть разработана автоматическая система распыления воды под высоким давлением, но это не является обычным явлением.)

Жидкостные пожары обычно тушат с помощью огнетушащей пены (Cote 1991). Это достигается путем аспирации пенообразователя в струю воды, которая затем направляется на огонь через специальное сопло, позволяющее вовлекать воздух в струю. Это создает пену, которая плавает поверх жидкости, уменьшая скорость подачи паров топлива за счет эффекта блокировки и защищая поверхность от теплопередачи от пламени. Пену следует наносить осторожно, формируя «плот», который постепенно увеличивается в размерах, покрывая поверхность жидкости. Пламя будет уменьшаться в размерах по мере роста плота, и в то же время пена будет постепенно разрушаться, высвобождая воду, которая будет способствовать охлаждению поверхности. Механизм на самом деле сложен, хотя конечным результатом является контроль потока паров.

Доступен ряд пенообразователей, и важно выбрать тот, который совместим с защищаемыми жидкостями. Первоначальные «белковые пены» были разработаны для сжигания жидких углеводородов, но быстро разрушаются при контакте с жидким топливом, растворимым в воде. Ряд «синтетических пен» был разработан для борьбы со всем диапазоном возгорания жидкости, с которым можно столкнуться. Одна из них, водная пленкообразующая пена (ВППП), представляет собой универсальную пену, которая также образует водяную пленку на поверхности жидкого топлива, что повышает его эффективность.

Гашение пламени

Этот метод использует химические средства подавления пламени для тушения пламени. Реакции, протекающие в пламени, включают свободные радикалы, высокореактивные частицы, которые существуют только мимолетно, но постоянно регенерируются в результате разветвленного цепного процесса, который поддерживает достаточно высокие концентрации, чтобы позволить протекать общей реакции (например, реакции типа R1). быстрым темпом. Химические средства подавления, примененные в достаточном количестве, вызовут резкое падение концентрации этих радикалов, эффективно гася пламя. Наиболее распространенными агентами, действующими таким образом, являются галоны и сухие порошки.

Галоны реагируют в пламени с образованием других промежуточных частиц, с которыми предпочтительно реагируют радикалы пламени. Для тушения пожара требуется относительно небольшое количество галонов, и по этой причине они традиционно считались очень желательными; огнетушащие концентрации являются «вдыхаемыми» (хотя продукты, образующиеся при прохождении через пламя, являются вредными). Сухие порошки действуют аналогичным образом, но при определенных обстоятельствах гораздо эффективнее. Мелкие частицы рассеиваются в пламени и вызывают обрыв радикальных цепей. Важно, чтобы частицы были мелкими и многочисленными. Это достигается производителями многих патентованных марок сухих порохов путем выбора пороха, который «декрепитирует», то есть частицы дробятся на более мелкие частицы, когда они подвергаются воздействию высоких температур пламени.

Для человека, чья одежда загорелась, огнетушитель с сухим порошком признан лучшим методом контроля пламени и защиты этого человека. Быстрое вмешательство дает быстрый «нокдаун», что сводит к минимуму травмы. Однако пламя должно быть полностью погашено, потому что частицы быстро падают на землю, и любое остаточное пламя быстро восстанавливается. Точно так же галоны будут оставаться эффективными только в том случае, если сохраняются локальные концентрации. Если его применять на открытом воздухе, пары галона быстро рассеиваются, и снова огонь быстро возобновится, если есть остаточное пламя. Что еще более важно, за потерей подавителя последует повторное воспламенение топлива, если температура поверхности достаточно высока. Ни галоны, ни сухие порошки не оказывают существенного охлаждающего действия на поверхность топлива.

Удаление подачи воздуха

Следующее описание является чрезмерным упрощением процесса. В то время как «отключение подачи воздуха» обязательно приведет к тушению пожара, для этого необходимо лишь снизить концентрацию кислорода ниже критического уровня. Хорошо известный «тест на кислородный индекс» классифицирует горючие материалы в соответствии с минимальной концентрацией кислорода в кислородно-азотной смеси, которая только поддерживает пламя. Многие распространенные материалы будут гореть при концентрации кислорода примерно до 14% при температуре окружающей среды (около 20 °C) и в отсутствие какой-либо навязанной теплопередачи. Критическая концентрация зависит от температуры и уменьшается с повышением температуры. Таким образом, огонь, который горит в течение некоторого времени, будет способен поддерживать пламя при концентрации, возможно, всего лишь 7%. Огонь в помещении можно сдержать и даже погасить самостоятельно, если ограничить доступ кислорода, оставив двери и окна закрытыми. Пламя может прекратиться, но тление будет продолжаться при гораздо более низких концентрациях кислорода. Попадание воздуха путем открытия двери или разбивания окна до того, как помещение достаточно остынет, может привести к сильному извержению огня, известному как обратная тягаили обратным.

«Удаления воздуха» добиться трудно. Однако атмосферу можно сделать «инертной» за счет полного затопления газом, который не поддерживает горение, например, азотом, двуокисью углерода или газами, образующимися в процессе горения (например, в судовых двигателях), с низким содержанием кислорода и высоким содержанием кислорода. в углекислом газе. Этот прием можно использовать только в закрытых помещениях, так как необходимо поддерживать необходимую концентрацию «инертного газа» до полного тушения пожара или начала работ по тушению пожара. Полное затопление имеет особые применения, например, для трюмов кораблей и коллекций редких книг в библиотеках. Требуемые минимальные концентрации инертных газов приведены в таблице 4. Они основаны на предположении, что пожар обнаруживается на ранней стадии и что затопление осуществляется до того, как в помещении накопится слишком много тепла.

Таблица 4: Сравнение концентраций различных газов, необходимых для инертизации

«Удаление воздуха» может быть осуществлено в непосредственной близости от небольшого пожара путем местного применения тушащего вещества из огнетушителя. Углекислый газ является единственным газом, который используется таким образом. Однако, так как этот газ быстро рассеивается, необходимо во время атаки на огонь погасить все пламя; в противном случае пламя восстановится. Повторное возгорание также возможно, потому что углекислый газ практически не оказывает охлаждающего действия. Стоит отметить, что мелкодисперсная струя воды, увлекаемая в пламя, может вызвать погасание в результате совместного испарения капель (охлаждающего зону горения) и снижения концентрации кислорода за счет разбавления водяным паром (действующего аналогично как углекислый газ). В качестве возможной замены галонов рассматриваются мелкодисперсные водяные брызги и туманы.

Здесь уместно отметить, что не рекомендуется гасить газовое пламя, если поток газа не может быть остановлен сразу же после этого. В противном случае может образоваться значительный объем легковоспламеняющегося газа, который впоследствии воспламенится с потенциально серьезными последствиями.

Задуть

Этот метод включен сюда для полноты. Пламя спички можно легко задуть, увеличив скорость воздуха выше критического значения вблизи пламени. Механизм работает путем дестабилизации пламени вблизи топлива. В принципе, более крупные пожары можно контролировать таким же образом, но для создания достаточной скорости обычно требуются заряды взрывчатого вещества. Таким способом можно потушить пожары на нефтяных скважинах.

Наконец, необходимо подчеркнуть общую черту, заключающуюся в том, что легкость тушения пожара быстро уменьшается по мере увеличения размера пожара. Раннее обнаружение позволяет вымирать с минимальным количеством подавителя и меньшими потерями. При выборе системы пожаротушения следует учитывать потенциальную скорость развития пожара и доступный тип системы обнаружения.

Взрывы

Взрыв характеризуется внезапным высвобождением энергии, создающим ударную или взрывную волну, которая может нанести дистанционный ущерб. Существует два различных типа источников, а именно бризантный взрыв и взрыв под давлением. Типичными взрывчатыми веществами являются такие соединения, как тринитротолуол (ТНТ) и циклотриметилентринитрамин (гексоген). Эти соединения являются сильно экзотермическими веществами, разлагающимися с выделением значительного количества энергии. Несмотря на то, что они термически стабильны (хотя некоторые из них менее стабильны и требуют десенсибилизации, чтобы сделать их безопасными в обращении), их можно вызвать детонацию с разложением, распространяющимся со скоростью звука через твердое тело. Если количество выделяемой энергии достаточно велико, от источника будет распространяться взрывная волна, способная нанести значительный ущерб на расстоянии.

Оценивая дистанционный ущерб, можно оценить размер взрыва в терминах «тротилового эквивалента» (обычно в метрических тоннах). Этот метод основан на большом количестве данных, которые были собраны о потенциальном ущербе от тротила (большая часть из них во время войны), и использует эмпирические законы масштабирования, которые были разработаны на основе исследований ущерба, причиняемого известными количествами тротила.

В мирное время бризантные взрывчатые вещества используются в различных сферах деятельности, в том числе в горнодобывающей промышленности, разработке карьеров и крупных строительных работах. Их присутствие на объекте представляет собой особую опасность, которая требует специального управления. Однако другой источник «взрывов» может быть столь же разрушительным, особенно если опасность не была распознана. Избыточное давление, приводящее к скачкам давления, может быть результатом химических процессов внутри установок или чисто физических эффектов, как это происходит, если сосуд нагревается снаружи, что приводит к избыточному давлению. Срок БЛЕВЕ (взрыв расширяющегося пара кипящей жидкости) берет свое начало здесь, первоначально ссылаясь на выход из строя паровых котлов. В настоящее время он также широко используется для описания случая, когда сосуд под давлением, содержащий сжиженный газ, такой как LPG (сжиженный нефтяной газ), выходит из строя в результате пожара, высвобождая легковоспламеняющееся содержимое, которое затем воспламеняется, образуя «огненный шар».

С другой стороны, избыточное давление может быть вызвано внутренним химическим процессом. В обрабатывающей промышленности самонагревание может привести к неконтролируемой реакции, генерирующей высокие температуры и давления, способные вызвать скачок давления. Однако наиболее распространенный тип взрыва вызывается воспламенением горючей газовоздушной смеси, которая заключена в элементе установки или в любой ограждающей конструкции или ограждении. Предпосылкой является образование легковоспламеняющейся смеси, чего следует избегать путем правильного проектирования и управления. В случае аварийного выброса горючая атмосфера будет существовать везде, где концентрация газа (или пара) находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости (таблица 1). Если в одну из этих областей ввести источник воспламенения, предварительно перемешанное пламя будет быстро распространяться от источника, превращая топливно-воздушную смесь в продукты сгорания при повышенной температуре. Оно может достигать 2,100 К, что указывает на то, что в полностью закрытой системе, изначально имеющей температуру 300 К, возможно избыточное давление до 7 бар. Только специально сконструированные сосуды под давлением способны выдержать такое избыточное давление. Обычные здания рухнут, если не будут защищены панелями для сброса давления, разрывными дисками или системой подавления взрыва. Если горючая смесь образуется внутри здания, последующий взрыв может привести к значительным структурным повреждениям — возможно, к полному разрушению, — если только взрыв не выйдет наружу через отверстия (например, выбитые окна), созданные на ранних стадиях взрыва.

Взрывы этого типа также связаны с воспламенением пылевых взвесей в воздухе (Палмер, 1973). Они возникают при значительном скоплении «взрывоопасной» пыли, которая смещается с полок, стропил и уступов внутри здания, образуя облако, которое затем подвергается воздействию источника воспламенения (например, на мукомольных заводах, элеваторах и т. д.). .). Пыль должна (очевидно) быть горючей, но не вся горючая пыль взрывоопасна при температуре окружающей среды. Стандартные тесты были разработаны для определения того, является ли пыль взрывоопасной. Их также можно использовать для иллюстрации того, что взрывоопасная пыль имеет «пределы взрываемости», сходные по концепции с «пределами воспламеняемости» газов и паров. В общем, взрыв пыли может нанести большой ущерб, потому что начальное событие может привести к вытеснению большего количества пыли, образуя еще большее пылевое облако, которое неизбежно воспламенится, что приведет к еще большему взрыву.

Вентиляция взрываили облегчение взрыва, будет успешно работать только в том случае, если скорость развития взрыва относительно низкая, например, при распространении предварительно перемешанного пламени через неподвижную горючую смесь или взрывоопасное пылевое облако. Взрывная вентиляция бесполезна, если речь идет о детонации. Причина этого в том, что отверстия для сброса давления должны быть созданы на ранней стадии события, когда давление еще относительно низкое. Если происходит детонация, давление возрастает слишком быстро, чтобы сброс был эффективным, и ограждающий сосуд или элемент установки испытывает очень высокое внутреннее давление, которое приведет к массивному разрушению. Детонация горючей газовой смеси может произойти, если смесь содержится в длинной трубе или воздуховоде. При определенных условиях распространение предварительно перемешанного пламени будет толкать несгоревший газ впереди фронта пламени со скоростью, которая увеличивает турбулентность, что, в свою очередь, увеличивает скорость распространения. Это обеспечивает петлю обратной связи, которая заставит пламя ускоряться до тех пор, пока не сформируется ударная волна. Это, в сочетании с процессом горения, представляет собой детонационную волну, которая может распространяться со скоростями, значительно превышающими 1,000 м/с. Это можно сравнить с основная скорость горения стехиометрической пропан/воздушной смеси 0.45 м/с. (Это скорость, с которой пламя будет распространяться через неподвижную (т. е. не турбулентную) смесь пропана и воздуха.)

Нельзя недооценивать роль турбулентности в развитии этого типа взрыва. Успешная работа системы взрывозащиты зависит от раннего сброса или раннего подавления. Если скорость развития взрыва слишком высока, то система защиты не будет эффективной, и могут возникнуть недопустимые избыточные давления.

Альтернативой обезвреживанию взрыва является подавление взрыва. Этот тип защиты требует, чтобы взрыв был обнаружен на очень ранней стадии, как можно ближе к воспламенению. Детектор используется для инициирования быстрого выброса гасящего вещества на пути распространения пламени, эффективно останавливая взрыв до того, как давление возрастет до такой степени, при которой целостность ограждающих границ окажется под угрозой. Для этой цели обычно использовались галоны, но по мере того, как они постепенно выводятся из употребления, в настоящее время внимание уделяется использованию систем распыления воды под высоким давлением. Этот тип защиты очень дорог и имеет ограниченное применение, поскольку его можно использовать только в относительно небольших объемах, в пределах которых можно быстро и равномерно распределить подавитель (например, воздуховоды, несущие легковоспламеняющиеся пары или взрывоопасную пыль).

Анализ информации для противопожарной защиты

В общих чертах, пожарная наука только недавно достигла стадии, на которой она способна обеспечить базу знаний, на которой могут быть основаны рациональные решения в отношении инженерного проектирования, включая вопросы безопасности. Традиционно пожарная безопасность развивалась специальный основе, эффективно реагируя на инциденты, вводя правила или другие ограничения, чтобы гарантировать, что они не будут повторяться. Примеров можно привести много. Например, Великий пожар в Лондоне в 1666 году привел к установлению первых строительных правил (или кодексов) и развитию страхования от пожаров. Недавние инциденты, такие как пожары в высотных офисных зданиях в Сан-Паулу, Бразилия, в 1972 и 1974 годах, инициировали изменения строительных норм и правил, сформулированные таким образом, чтобы предотвратить подобные пожары с многочисленными жертвами в будущем. Аналогичным образом решались и другие проблемы. В Калифорнии в Соединенных Штатах была признана опасность, связанная с некоторыми типами современной мягкой мебели (особенно с той, которая содержит стандартный пенополиуретан), и в конечном итоге были введены строгие правила для контроля ее доступности.

Это простые случаи, когда наблюдения за последствиями пожара привели к введению набора правил, направленных на повышение безопасности человека и общества в случае пожара. Решение о действиях по любому вопросу должно быть обосновано на основе анализа наших знаний о пожарах. Нужно показать, что проблема реальна. В некоторых случаях — например, в случае с пожарами в Сан-Паулу — это упражнение носит академический характер, но в других случаях, таких как «доказательство» того, что современная мебель представляет собой проблему, необходимо обеспечить разумное расходование связанных с этим расходов. Для этого требуется надежная база данных о пожарах, которая за несколько лет способна показать тенденции в количестве пожаров, количестве погибших, частоте возгорания определенного типа и т. д. Затем можно использовать статистические методы для изучения того, тенденция или изменение являются значительными, и принимаются соответствующие меры.

В ряде стран пожарная команда обязана представлять отчет о каждом посещенном пожаре. В Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах ответственный офицер заполняет форму отчета, которая затем передается в центральную организацию (Министерство внутренних дел в Соединенном Королевстве, Национальную ассоциацию противопожарной защиты, NFPA в Соединенных Штатах), которая затем кодирует и обрабатывает данные в установленном порядке. Затем данные доступны для проверки государственными органами и другими заинтересованными сторонами. Эти базы данных имеют неоценимое значение для выявления (например) основных источников воспламенения и предметов, которые загорелись первыми. Изучение количества смертельных случаев и их связи с источниками воспламенения и т. д. показало, что число людей, погибших при пожарах, вызванных курительными материалами, значительно не соответствует количеству пожаров, возникающих таким образом.

Надежность этих баз данных зависит от навыков, с которыми пожарные проводят расследование пожара. Расследование пожаров — непростая задача, требующая значительных способностей и знаний, в частности знаний в области пожарной науки. Пожарная служба в Соединенном Королевстве по закону обязана представлять форму отчета о пожаре для каждого пожара, на котором присутствовали, что возлагает значительную ответственность на ответственного офицера. Построение формы имеет решающее значение, так как она должна извлекать требуемую информацию достаточно подробно. «Базовая форма отчета об инциденте», рекомендованная NFPA, показана на Справочник по противопожарной защите (Кот 1991).

Данные можно использовать двумя способами: либо для выявления проблемы пожара, либо для предоставления рационального аргумента, необходимого для обоснования определенного курса действий, который может потребовать государственных или частных расходов. Для демонстрации результатов предпринятых действий можно использовать давно созданную базу данных. Следующие десять пунктов были получены из статистики NFPA за период с 1980 по 1989 год (Cote 1991):

1. Домашние извещатели дыма широко используются и очень эффективны (но остаются значительные пробелы в стратегии извещателей).

2. Автоматические разбрызгиватели значительно сокращают человеческие жертвы и потери имущества. Более широкое использование переносного и локального отопительного оборудования резко увеличило количество домашних пожаров, связанных с отопительным оборудованием.

3. Зажигательные и подозрительные пожары продолжали снижаться по сравнению с пиком 1970-х гг., но связанный с ними материальный ущерб перестал снижаться.

4. Большая часть смертельных случаев среди пожарных связана с сердечными приступами и действиями вдали от места пожара.

5. В сельской местности самая высокая смертность от пожаров.

6. Курение материалов, воспламеняющих мягкую мебель, матрасы или постельные принадлежности, приводит к наиболее смертоносным сценариям пожара в жилых помещениях.

7. Смертность от пожаров в США и Канаде одна из самых высоких среди всех развитых стран.

8. В штатах Старого Юга США самый высокий уровень смертности от пожаров.

9. Пожилые люди подвергаются особо высокому риску гибели при пожаре.

Такие выводы, конечно, специфичны для каждой страны, хотя есть и общие тенденции. Тщательное использование таких данных может обеспечить средства для разработки разумной политики в отношении пожарной безопасности в сообществе. Однако следует помнить, что они неизбежно являются «реактивными», а не «упреждающими». Упреждающие меры могут быть введены только после детальной оценки пожарной опасности. Такой образ действий вводился постепенно, начиная с атомной промышленности и переходя в химическую, нефтехимическую и морскую промышленность, где риски гораздо легче определить, чем в других отраслях. Их применение в отелях и общественных зданиях, как правило, намного сложнее и требует применения методов моделирования пожара для прогнозирования течения пожара и того, как продукты пожара будут распространяться по зданию, воздействуя на находящихся в нем людей. В этом типе моделирования были достигнуты значительные успехи, хотя следует сказать, что предстоит пройти долгий путь, прежде чем эти методы можно будет уверенно использовать. Техника пожарной безопасности по-прежнему нуждается во многих фундаментальных исследованиях в области науки о пожарной безопасности, прежде чем надежные инструменты оценки пожарной опасности станут широко доступными.

Назад