Обеспечение пожарной безопасности

Общие сведения о пожаре

Пожар - неконтролируемый процесс горения, причиняющий материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства.

Основными причинами возникновения пожаров на ж.д. транспорте являются:

- неосторожное обращение с огнем (в том числе нарушение ППБ) - 24,51%;

- технические неисправности тепловозов - 18,63%;

- технические неисправности электровозов - 10,29%;

- неисправности электрооборудования - 9,80%;

- другие причины.

Для того чтобы произошло возгорание необходимо наличие трёх условий:

- горючие вещества и материалы

- источник зажигания - открытый огонь, химическая реакция, электроток.

- наличие окислителя, например кислорода воздуха.

Горение – это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением теплоты и света. Для возникновения горения требуется наличие трех факторов: горючего вещества, окислителя и источника загорания. Окислителями могут быть кислород, хлор, фтор, бром, йод, окиси азота и другие. Кроме того, необходимо, чтобы горючее вещество было нагрето до определенной температуры и находилось в определенном количественном соотношении с окислителем, а источник загорания имел определенную энергию. Сущность горения заключается в следующем - нагревание источников зажигания горючего материала до начала его теплового разложения. В процессе теплового разложения образуется угарный газ, вода и большое количество тепла. Выделяется также углекислый газ и сажа, которая оседает на окружающем рельефе местности. Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов:

Вспышка - быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.

Возгорание - возникновение горения под воздействием источника зажигания.

Воспламенение - возгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Самовозгорание - явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества при отсутствии источника зажигания. Различают несколько видов самовозгорания:

- химическое - от воздействия на горючие вещества кислорода, воздуха, воды или взаимодействия веществ;

- микробиологическое - происходит при определенной влажности и температуры в биологических средах;

- тепловое - вследствие долговременного воздействия незначительных источников тепла.

Самовоспламенение - самовозгорание, сопровождается появлением пламени.

Взрыв - процесс чрезвычайно быстрого, под влиянием внешнего источника воспламенения, химического превращения вещества, сопровождающегося выделением газов и большого количества тепла, нагревающего эти газы до высокой температуры, в результате чего газы совершают работу. Взрывная способность горючих газов, паров и пыли в воздухе сохраняется в определенных интервалах их концентраций. Существуют нижние и верхние концентрационные и температурные пределы распространения пламени.

Нижний (верхний) концентрационные пределы распространения пламени (НКПРП, ВКПРП) - минимально (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Невозможность воспламенения горючей смеси при концентрации ниже НКПРП объясняется малым количеством горючего вещества и избытком воздуха. Чем меньше коэффициент избытка воздуха, тем больше скорость горения и выше давление паров при взрыве. Верхний концентрационный предел распространения пламени характеризуется избытком горючего и малым количеством воздуха.

Пыли горючих и некоторых не горючих веществ (например алюминий, цинк) могут в смеси с воздухом образовать горючие концентрации. Наибольшую опасность по взрыву представляет взвешенная в воздухе пыль. Однако и осевшая на конструкциях пыль представляет опасность не только с точки зрения возникновения пожара, но и вторичного взрыва, вызываемого в результате взвихривания пыли при первичном взрыве. Минимальная концентрация пыли в воздухе, при которой происходит ее загорание, называется нижним пределом воспламенения пыли. Поскольку достижение очень больших концентраций пыли во взвешенном состоянии практически нереально, термин "верхний предел воспламенения" к пыли не применяется.

Температура самовоспламенения - характеризует минимальную температуру вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения.

Температура вспышки (Т_всп) - наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхнуть в воздухе при поднесении к ним внешнего источника зажигания (пламени или нагретого до высокой температуры тела). Устойчивое горение при этом не устанавливается вследствие малой скорости испарения горючей жидкости. Температура вспышки показывает, при какой температуре вещество подготовлено к воспламенению и становится огнеопасным в открытом сосуде.

В зависимости от температуры вспышки горючие жидкости подразделяются на:

- легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) с температурой вспышки не свыше 61 °С (в закрытом тигле) или не свыше 66 °С (в открытом тигле);

- горючее (ГЖ) с температурой вспышки паров выше, соответственно, 61 и 66°С.

ЛВЖ в свою очередь делятся на три разряда:

а) особо опасные ЛВЖ - имеющие температуру вспышки от -18°C и ниже в закрытом тигле или - 13°С и ниже в открытом;

б) постоянно опасные ЛВЖ - имеющие температуру вспышки выше -18°С до +23°С в закрытом тигле или выше -13°С до +27°С - в открытом;

в) опасные при повышенной температуре ЛВЖ. К данному разряду относятся жидкости с температурой вспышки более +23°С до +61°С включительно (в закрытом тигле) или более +27°С до +66°С - в открытом.

Температура воспламенения (Т_воспл) - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний оно выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается способность воспламениться при поднесении внешнего источника воспламенения.

Разница между температурой вспышки и воспламенения для ЛВЖ составляет 1-2°С, для ГЖ - до 10-15°С и более.

Из горючих газов и пыли образуются горючие смеси при любой температуре, в то время как твердые вещества и жидкости могут образовать горючие смеси только при определенных температурах. В производственных условиях может иметь место образование смесей горючих газов или паров в любых количественных соотношениях. Однако взрывоопасными эти смеси могут быть только тогда, когда концентрация горючего газа или пара находится между границами воспламеняемых концентраций.

Минимальная концентрация горючих газов и паров в воздухе, при которой они способны загораться и распространять пламя, называющееся нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ).

Максимальная концентрация горючих газов и паров, при которой еще возможно распространение пламени, называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ).

Указанные пределы зависят от температуры газов и паров: при увеличении температуры на 100 ⁰С величины нижних пределов воспламенения уменьшаются на 8-10 %, верхних - увеличиваются на 12-15 %. Пожарная опасность вещества тем больше, чем ниже нижний и выше верхний пределы воспламенения и чем ниже температура самовоспламенения.

Для того чтобы можно было описывать, исследовать или сравнивать пожары, необходимо использовать параметры, которые характеризовали бы разные стороны развития пожаров.

Основными параметрами пожара являются:

1. Пожарная нагрузка P_пож - это количество теплоты, которое может выделиться с единицы площади при пожаре в помещении. Пожарная нагрузка объекта определяется как сумма постоянной и временной пожарной нагрузки. Постоянная нагрузка включает горючие строительные конструкции и материалы. Во временную нагрузку включаются горючие вещества и материалы, которые сберегаются, вырабатываются и перерабатываются в ходе технологического процесса в данном помещении. Пожарная нагрузка определяется по формуле:

где M_i - масса i-го горючего материала, находящегося в помещении, кг;

Q_i - удельная теплота сгорания i-го материала, МДж/кг;

S - площадь пола помещения, м².

Пожарная нагрузка определяющим образом влияет на остальные параметры пожара. Иногда пожарную нагрузку измеряют как массу всех горючих и трудногорючих материалов, которые приходятся на единицу площади пола помещения.

2. Продолжительность пожара - это время с момента возникновения пожара до прекращения горения. Продолжительность пожара определяется по формуле:

T = Q_n·S/q

где Q_n - теплота сгорания;

S - удельная загрузка пола помещения;

q - удельная теплота пожара, которая зависит от скорости выгорания и полноты сгорания.

q = z· Q_n·n

где z - коэффициент неполноты сгорания;

n - скорость горения вещества, представляющая собой потерю массы горючего вещества в единицу времени с единицы площади, кг/(м²·ч).

Таким образом продолжительность пожара может быть выражена следующей формулой:

Следовательно, продолжительность пожара зависит от загрузки пола помещения, скорости выгорания горючих веществ и полноты их сгорания. Кроме того, на продолжительность пожара в помещении влияют условия поступления воздуха в зону горения. Это влияние учитывает коэффициент:

где А_п - площадь пола в помещении, м2;

А_ок - площадь оконных проемов, м².

Коэффициент β вводят в расчет в случае, когда он находится в пределах 4... 12. При меньшем значении β в помещении недостаточно воздуха и время горения увеличивается.

3. Площадь пожара -площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость. В зависимости от места, возникновения горения, рода материалов, объемно-планировочных решений объекта, характеристики конструкций, метеорологических условий и других факторов площадь пожара имеет круговую, угловую и прямоугольную формы. Такое деление является условным и применяется для упрощения расчетов при решении практических задач по пожаротушению. При прогнозировании развития пожара следует учитывать, что форма площади пожара может меняться. Так, при достижении фронтом пламени ограждающей конструкции или края площадки, принято считать, что фронт пожара спрямляется и форма площади пожара изменяется (Рис. 5).

Площадь пожара при круговой форме развития пожара:

S_п = k ·p · R² (м²),

где k = 1 - при круговой форме развития пожара (рис. 1);

k = 0,5 - при полукруговой форме развития пожара (рис. 3);

k = 0,25 - при угловой форме развития пожара (рис. 2).

Площадь пожара при прямоугольной форме развития пожара (рис. 4):

S_п = n ·b · R (м²),

где n - количество направлений развития пожара;

b - ширина помещения;

R - расстояние, пройденное фронтом горения, за время t.

Рис. 1. Круговая форма площади пожара

Рис. 2. Угловая форма с углом 90º

Рис. 3. Угловая форма с углом 180º

Рис. 4. Прямоугольная форма площади пожара   с развитием: а) в двух; б) в одном направлениях

а)

б)

Рис. 5. Изменение формы площади пожара при достижении фронтом пламени ограждающей конструкции из угловой в прямоугольную

4. Фронт пожара - часть периметра пожара, на которой распространение пожара происходит наиболее интенсивно.

5. Массовая скорость выгорания v_m - количество вещества, которое выгорает в единицу времени с единицы площади горения. Массовая скорость выгорания зависит, прежде всего, от природы вещества, интенсивности газообмена, времени развития пожара. Данный параметр изначально определяет наличие и параметры многих опасных факторов пожара, так как количество продуктов сгорания, в том числе дыма, а также температура, во многом зависят от того, сколько и какого вещества сгорело.

Таблица 1

Удельная массовая скорость выгорания и низшая теплота сгорания

некоторых веществ и материалов

Вещества и материалы	Удельная массовая скорость выгорания ψ×103, кг·м2·с-1	Низшая теплота сгорания Q, кДж·кг-1
Бензин	61,7
Ацетон	44,0
Диэтиловый эфир	60,0
Бензол	73,3
Дизельное топливо	42,0
Керосин	48,3
Мазут	34,7
Нефть	28,3
Этиловый спирт	33,0
Турбинное масло (ТП-22)	30,0

6. Линейная скорость распространения пожара v_l (м/мин). Под этим параметром понимают скорость распространения го­рения по поверхности горючего материала в единицу времени.

Линейная скорость распространения горения определяет пло­щадь пожара. Она зависит от вида и природы горючих веществ и материалов, от способности к воспламенению и начальной температуры, от интенсивности газообмена на пожаре и направ­ленности конвективных газовых потоков, от степени измельченности горючих материалов, их пространственного расположения и других факторов. Линейная скорость распространения горения непостоянна во времени, поэтому в практических расчетах пользуются сред­ними значениями. Наибольшей v_l обладают газы, поскольку в смеси с воз­духом они уже подготовлены к горению и для его продолжения, если горение возникло, затрачивается тепло на нагрев смеси только до температуры воспламенения.

Линейная скорость распространения горения для жидкостей в основном зависит от их начальной температуры. Особенно резкое возрастание v_l наблюдается при нагреве горючих жид­костей до температуры вспышки, так как наибольшее значение линейной скорости для горючих жидкостей наблюдается при температуре воспламенения и равно скорости распространения го­рения по паровоздушным смесям.

Наименьшей линейной скоростью распространения горения обладают твердые горючие материалы, для подготовки к горе­нию которых требуется больше тепла, чем для жидкостей и газов. Линейная скорость распространения горения твердых горю­чих материалов зависит почти от всех перечисленных факторов но, особенно от их пространственного расположения. Например, распространение пламени по вертикальным и горизонтальным поверхностям может отличаться в 5-6 раз, а распространение пламени по вертикальный поверхности снизу вверх и сверху вниз приблизительно в 10 раз.

7. Интенсивность газообмена I_г - количество воздуха, который притекает в единицу времени к единице площади пожара. Газообмен - это движение конвективных газовых потоков, которые возникают за счет:

- наличия самого пожара;

- разности температур нагретых продуктов сгорания и холодного воздуха;

- ветровых нагрузок;

- принудительной вентиляции в помещении.

Движение холодного воздуха, поступающего в помещение, и дыма, который выходит из помещения, подчиняются законам гидродинамики. Пожар в помещении приводит к значительному повышению температуры воздуха, что увеличивает интенсивность газообмена. На начальной стадии пожара горение протекает за счет воздуха, который находится в помещении, и газообмен с окружающей средой отсутствует. При этом некоторое время пожар не ограничивается ни пожарной нагрузкой, ни воздухообменом. С течением времени горение интенсифицируется, а выделяющаяся энергия идет на нагрев воздуха, конструкций и горючего материала.

Характер движения воздушных масс зависит от конфигурации помещения, наличия отверстий, и их взаимного расположения. Если газообмен осуществляется через отверстия, расположенные на разном уровне, их можно условно разделить на приточные (из которых поступает свежий воздух в помещение) и вытяжные (из которых горячие продукты сгорания выходят в атмосферу).

Для выявления общих закономерностей газообмена принимают некоторые допущения:

- температура продуктов горения в помещении выше, чем температура окружающего воздуха, и с течением времени температура продуктов горения не изменяется;

- влиянием ветра на газообмен пренебрегают;

- площадь и расположение приточного и вытяжного отверстия не изменяется;

- при газообмене масса входного воздуха равняется массе выходящих продуктов горения.

На самом деле, процесс пожара практически нельзя считать стационарным, поэтому речь идет о периоде развитого пожара, когда его характеристики изменяются мало. Плотность продуктов горения в нижней и верхней части помещения отличается от плотности окружающего воздуха. Но на некоторой высоте от уровня пола помещения давление газовой среды будет таким же, как и давление воздуха вне помещения. Эту плоскость принято назвать нейтральной зоной. Высоту нейтральной зоны, с учетом высоты приточного отверстия, можно определить из соотношения:

где S_прит - площадь приточного отверстия, м²;

S_вих - площадь вытяжного отверстия, м²;

ρ _пг - плотность продуктов горения, кг/м³;

ρ _в - плотность воздуха, кг/м³;

h_прит -высота приточного отверстия, м;

Н - расстояние (в вертикальном направлении) между центрами приточного и вытяжного отверстия.

8. Плотность задымления - количество дыма, который на протяжении пожара остается в единице объема помещения. Этот пара­метр пожара характеризуются ухудшением видимости и сте­пенью токсичности атмосферы в зоне задымления.

Ухудшение видимости при задымлении определяется плотностью, которая оценивается по толщине слоя дыма, через который не виден свет эталонной пампы, или по количеству твердых частиц, со­держащихся в единице объема, и измеряется в г/м³.

Данные о плотности дыма, образующегося при горении ве­ществ, содержащих углерод, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование дыма	Плотность дыма, твердой фазы, г/м3	Видимость предме­тов, освещаемых лампой в 21 свечу, м
Дым плотный	Более 1,5	До 3
Дым средней плот­ности	От 0,6 до 1,5	От 3 до 6
Дым слабой плотнос­ти	От 0,1 до 0,6	От 6 до 1:

 

В справочнике NFPA 92B (2000) приводится также алгебраическое уравнение для оценки оптической плотности (видимости) в слое задымления во время работы системы вентиляции:

где: D - оптическая плотность дыма, OD/м;

D_m - массовая оптическая плотность, м²/кг;

Q - суммарное тепловыделение, кВт;

V - объемная производительность вытяжной системы, м³/с;

X_a - коэффициент полноты сгорания, максимальное значение 1;

ΔH_c – удельная теплота полного сгорания, кДж/кг.

Время задымления помещения от потолка до уровня у от пола помещения может быть определено по формуле:

где F_п -площадь пола помещения, м²;

H_п - высота помещения,м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

П - периметр очага пожара, м;

z - расстояние от пола, м.

9. Теплота пожара - количество тепла, выделяющееся в зоне горения в единицу времени.Для оценки интенсивности тепловыделения на пожаре введено понятие – удельной теплоты на пожаре. Удельное количество тепла выделяемого в условиях пожара, с единицы площади поверхности горения в единицу времени определяется следующей закономерностью:

q = Z·Q_сгор.·n

 

где: q - удельная теплота пожара; МДж/м²·сек.

Z - коэффициент химического недожога;

Q_сгор. - теплота сгорания веществ; МДж/кг

n - массовая скорость выгорания; кг/м²·час.

Тепло выделяемое при пожаре частично уносится с продуктами горения, а частично аккумулируется строительными конструкциями. Количество тепла, которое аккумулируется строительными конструкциями при пожаре поверхностью площади равной 1м² принято называть тепловой нагрузкой. При определённом значении тепловой нагрузки возможна потеря несущей и ограждающей способности конструкций.

Опасный фактор пожара (ОФП) - фактор, воздействие которого причиняет вред жизни и здоровью людей и приводит к материальному ущербу. Основными опасными факторами пожара являются:

- открытое пламя и искры (пламя чаще всего поражает открытые участки тела. Очень опасны ожоги, получаемые от горящей одежды, которую трудно потушить и сбросить. Особенно легко воспламенятся одежда из синтетических тканей). Излучение пламени вызывает ожоги и болевые ощущения у людей, находящихся в зоне пожара. Минимальное расстояние от очага пожара, на котором может находиться человек, м: R=1,6H, где H - средняя высота факела пламени;

- повышенная температура окружающей среды (приводит к нарушению теплового режима тела человека, вызывает перегрев, ухудшение самочувствия из-за интенсивного выведения необходимых организму солей, нарушения ритма дыхания, деятельности сердца и сосудов);

- токсичные продукты горения (при горении, прежде всего, выделяется большое кол-во оксида углерода, углекислого газа, оксидов азота, которые заполняют объем помещения, в котором происходит горение, и создают опасные для жизни человека концентрации);

- снижение видимости в дыму;

- пониженная концентрация кислорода.

Опасные факторы пожара и их предельно допустимые для людей значения (ПДЗ) приведены в табл. 3.

Таблица 3

Опасный фактор пожара	Предельно допустимое значение	Последствия воздействия ОФП
Температура, °С		Повышение температуры может привести к ожогам, загоранию одежды, также рост температуры повышает чувствительность организма к токсическому воздействию продуктов горения.
Тепловое излучение, Вт/см2		Длительное превышение ПДЗ приводит к нарушению теплового режима тела человека, вызывает перегрев, ухудшение самочувствия из-за интенсивного выведения необходимых организму солей, нарушения ритма дыхания, деятельности сердца и сосудов.
Концентрация токсичных продуктов горения, % по объему
СО	0,1	При этом значении возникает головная боль, тошнота, общее недомогание. Вдыхание воздуха с 0,5%-ным содержанием оксида углерода в течение 20-30 мин приводит к смерти. При вдыхании воздуха с содержанием 1% СО приводит к смерти через 1-2 мин.
СО2	6,0	Вдыхание воздуха с содержанием до 6-8% СО 2 приводит к учащенному и более глубокому дыханию, вызывает шум в ушах, головную боль, сердцебиение. Человек теряет сознание при вдыхании смеси из 21% кислорода и 10% СО 2.
O2	< 17,0	При содержании кислорода в воздухе 16-18% наблюдается учащенное сердцебиение, незначительное расстройство координации движений и несколько снижается способность мышления. При 9% содержания кислорода в зоне дыхания наступает потеря сознания, при 6% – смерть за минуты.
Задымление (потеря видимости), г/м3	2,38	При увеличении ПДЗ человек теряет ориентацию, при этом увеличивается время его нахождения в экстремальных условиях

К вторичным проявлениям опасных факторов пожара, воздействующим на людей и материальные ценности, относятся:

- осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций;

- радиоактивные и токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок;

- электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов;

- опасные факторы взрыва по ГОСТ 12.1.010, происшедшего вследствие пожара.