Пожарная опасность твёрдых горючих материалов и пылей

Классификация твердых горючих материалов (ТГМ)

В соответствии с ГОСТ 12.1.044–89 „Пожаровзрывоопасность веществ и материалов“ твердыми называются материалы, температура плавления или разложения которых превышает 50°C, а также вещества, не имеющие температуры плавления (древесина, ткани и др.).

ТГМ можно классифицировать по нескольким признакам:

1. по химическому составу,
2. по поведению при нагревании.

К углеводородам относят природные, искусственные и синтетические полимерные материалы, в состав которых входят углерод, водород, азот и кислород. По структуре углеводороды — это материалы однородного строения.

В отдельную подгруппу относят природные органические вещества, основой которых служит целлюлоза. К ним относятся полимерные материалы растительного происхождения (древесина, хлопок и др.), которые в отличие от искусственных и синтетических полимеров являются не однородными материалами, а смесью природных полимеров. Поведение в условиях пожара всех растительных материалов похоже, и по этой причине их объединяют в одну группу — целлюлозосодержащих материалов .

Элементорганические соединения — органические вещества, в состав которых входят такие элементы, как сера, фосфор, кремний, галоиды и металлы. В условиях пожара элементорганические соединения образуют особо токсичные вещества и по этой причине их выделяют в особую группу.

Неорганические твердые горючие вещества — это металлы и неметаллы. Практически все металлы при нормальных условиях окисляются на воздухе. Но к горючим относятся только те, которые могут воспламеняться на воздухе от открытого источника зажигания средней мощности и самостоятельно гореть после его удаления. К наиболее горючим относятся щелочные и щелочноземельные металлы.

К неметаллам относят фосфор, мышьяк, кремний, серу. Механизм их воспламенения во многом напоминает особенности горения металлов.

Как видно из схемы, все твердые вещества по поведению при нагревании можно разделить на два класса: безгазовые и газифицирующиеся при нагревании.

Подавляющее большинство конденсированных веществ относятся ко второму классу. При нагревании они газифицируются, после чего осуществляется гомогенное горение продуктов газификации. В свою очередь газифицирующиеся ТГМ делят на две большие группы по тому, каким образом они переходят в парогазовое состояние. Твердые горючие вещества, которые переходят в газообразное состояние через жидкую фазу (в условиях повышенной температуры плавятся), принято называть ТГМ первого рода.

Процесс воспламенения ТГМ 1-го рода повторяет процесс подготовки и воспламенения горючих жидкостей. Их горение протекает в гомогенном режиме.

Твердые горючие материалы, которые переходят в парогазовое состояние минуя жидкую фазу за счет сублимации или термической деструкции молекул, принято называть ТГМ второго рода . При горении веществ этой группы возможен как гомогенный, так и гетерогенный режим горения.

Общие закономерности воспламенения и горения ТГМ

Процессы возникновения и развития горения для твердых горючих материалов имеют много общего с изучаемыми нами ранее процессами горения газов и жидкостей. Однако, кроме общих черт существует и целый ряд особенностей, обусловленных агрегатным состоянием и различиями в строении.

Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры ИЗ возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы:

1. Нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага.
2. Дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода — сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов.
3. Образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев.
4. Самовоспламенение паровоздушной смеси с последующим горением.

Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме этого, необходимы затраты на плавление и разложение.

На каждой стадии протекают специфические физико-химические процессы, которые определяют состояние системы. Этим стадиям соответствуют следующие зоны:

где Т 0 , Т пир, Т з, Т гор — температура начальная, температура пиролиза, температура зажигания, температура горения соответственно.

1. зона исходного материала;
2. зона предварительного нагрева материала до температуры физико-химических превращений;
3. она фазового перехода, в которой происходит плавление или разложение материала;
4. зона образования горючей смеси и ее нагрев до температуры зажигания;
5. зона фронта пламени, где выделяется основная часть тепловой энергии и наблюдается максимальная температура;
6. зона продуктов горения, где продукты реакции смешиваются с холодным воздухом.

Таким образом, процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением.

Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей нижний КПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии и для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала .

Распространение пламени по поверхности ТГМ

После воспламенения ТГМ происходит перемещение фронта пламени по поверхности. Распространение горения протекает за счет передачи тепла от зоны горения к еще негорящим участкам материала. Передача тепла осуществляется за счет излучения, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих этими видами теплопередачи, может быть различным. Поэтому скорость распространения пламени по поверхности ТГМ зависит от условий горения.

Наибольшее влияние на скорость распространения пламени по поверхности ТГМ оказывают следующие факторы :

1. природа материала, его физико-химические свойства (скорость образования летучих продуктов);
2. влажность материала;
3. ориентация образца в пространстве;
4. скорость и направление воздушных потоков;
5. начальная температура материала;
6. геометрические размеры образца (толщина, дисперсность).

Горение целлюлозосодержащих материалов

Целлюлоза — это высокомолекулярный полисахарид, состоящий из молекул глюкозы.

Рассмотрим поведение при нагревании древесины как наиболее распространенного горючего материала.

Горение древесины существенным образом отличается от горения жидкостей и газов, и может протекать сразу в нескольких режимах - гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы: 1) гомогенное (т.е. пламенное) горение газообразных продуктов разложения и 2) гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка.

Стадия пламенного горения занимает более короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55—60% всей энергии. Скорость гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности.

Тление

Тление — беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это особый режим горения, когда образующиеся в результате пиролиза горючие газы не горят, а происходит только гетерогенное горение углеродистого остатка (поверхностное окисление). Тление происходит за счет кислорода, содержащегося в порах материала.

К материалам, которые могут тлеть, относится широкий спектр материалы растительного происхождения (бумага, целлюлозные ткани, опилки), латексная резина, некоторые виды пластмасс (пенополиуретан, пенофенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению.

Горение пыли

Пыль — коллоидная система, состоящая из твердой дисперсной фазы и газообразной дисперсионной среды, т.е. представляет собой твердое вещество, диспергированное (тонко размельченное) в газообразной среде.

Дисперсная фаза может состоять из частиц одинаковой величины (монодисперсная система ) или частиц разной величины (полидисперсная система ). Все промышленные пыли полидисперсные.

В зависимости от среднего размера частиц пыль может длительно находиться во взвешенном состоянии или сразу же оседать после кратковременного перехода во взвешенное состояние.

Дисперсная система, представляющая собой пыль, взвешенную в воздухе, называется аэрозолем . Осевшая пыль называется аэрогелем .

Даже в осевшем состоянии каждая отдельная частица раздробленного вещества со всех сторон окружена газовой (воздушной) оболочкой.

Аэрозоли по своим свойствам занимают промежуточное положение между аэрогелем и гомогенной газовоздушной смесью. Также как и аэрогели являются гетерогенными дисперсными системами с одинаковой твердой фазой, и поведение их определяется физико-химическими свойствами этой твердой фазы. С газовоздушными смесями аэрозоли сходны тем, что горение большинства из них протекает со взрывом, и характеризуются они многими параметрами, типичными для газовых смесей.

Из свойств пыли, определяющих их пожарную опасность, наиболее важными являются: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации.

Особенности горения аэрогеля

Основными параметрами, характеризующими пожарную опасность аэрогеля, являются температура воспламенения и самовоспламенения.

В целом горение пыли в осевшем состоянии во многом напоминает горение твердого горючего материала, из которого эта пыль получена. Отличительной особенностью аэрогеля является его способность переходить во взвешенное состояние . При нагревании протекают все подготовительные процессы, характерные для твердых горючих материалов, однако скорость их протекания выше, что объясняется развитой поверхностью, повышенной химической активностью, сниженной теплопроводностью материала в результате измельчения, увеличенной адсорбционной способностью пыли. Это обусловливает меньший период индукции воспламенения, большую скорость распространения горения, а также повышенную склонность к самовозгоранию по сравнению с исходным материал, из которого пыль получена.

Окислительные процессы протекают одновременно как на поверхности пылевого слоя, так и в его глубине. При этом в реакции принимает участие кислород, адсорбированный на поверхности материала. Скорость протекания процессов окисления под слоем горючей пыли на порядок ниже, чем на поверхности, в результате горение в толще пылевого отложения может перейти в режим тления . Тлеющая пыль представляет большую опасность, поскольку 1) выделяющиеся горючие продукты разложения могут накапливаться в закрытых объемах, и горение из диффузионного может перейти в кинетическое; 2) даже при слабом встряхивании (завихрении) тлеющая масса может самовоспламениться из-за резкого притока кислорода и вызвать взрыв взвихренной пыли..

Особенности горения аэрозоля

Аэрозоли воспламеняются и горят аналогично газо-воздушным смесям. Поэтому их пожарная опасность характеризуется такими же параметрами, как и газо-воздушные смеси: КПРП, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва.

Склонность аэрозолей к коагуляции (слипанию) и осаждению существенно отличает их от газо-воздушных смесей. Это свойство обуславливает более высокую энергию зажигания (на два порядка выше), чем для газовых смесей.

Если распространение пламени в газовых смесях обусловлено прогревом холодной смеси за счет теплопроводности, то распространение пламени в пылевоздушных смесях происходит за счет прогрева холодной смеси излучением , испускаемым фронтом пламени.

Воспламенение и распространение пламени в аэрозоле происходит только в том случае, если концентрация находится в диапазоне концентрационных пределов воспламенения.

Наименьшая концентрация пыли в воздухе, при которой смесь способна воспламениться от источника зажигания с последующим распространением горения на весь объем смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени.

Верхний концентрационный предел распространения пламени для пыли также существует, и может быть определен в лабораторных условиях, но на практике не используется, Это обусловлено тем, что постоянное существование концентраций аэрозоля выше верхнего предела, когда исключается воспламенение, невозможно и всегда будет существовать такой момент времени, когда в результате осаждения концентрация пыли окажется во взрывоопасном диапазоне.

В состоянии аэрозоля пыль может воспламеняться и гореть в кинетическом режиме, т.е. со взрывом, поэтому за основной параметр пожарной опасности принимается НКПРП. В осевшем состоянии пыль может самовоспламеняться и самовозгораться, по этому для оценки пожароопасных свойств аэрогеля используют температуру самовоспламенения Т св.

Все горючие пыли можно разделить на две группы и четыре класса:

Первая группа — взрывоопасные пыли. Пыли способные к кинетическому горению и имеющие нижний концентрационный предел распространения пламени до 65 грамм на кубический метр включительно.

1 класс — наиболее взрывоопасные пыли с НКПРП 15 г/м и ниже;

2 класс — взрывоопасные пыли с НКПРП от 15 и до 65 г/м;

Вторая группа — пожароопасные пыли

3 класс — наиболее пожароопасные пыли с Т св не выше 250°C;

4 класс — пожароопасные пыли с Т св выше 250°C.

НКПРП пылевоздушных систем зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются:

1. мощность ИЗ;
2. влажность пыли;
3. зольность материала;
4. содержание летучих компонентов;
5. содержание негорючих газов;
6. дисперсность пыли.

Шкала приближенного определения силы ветра

Передача тепла в окружающую среду осуществляется одновременно тремя способами: за счет теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Тепловое излучение, особенно при наружных пожарах, создает трудности для подступа личного состава к границам горения. При воздействии теплового импульса 0,25 кал/см * с в течение 3 мин на незащищенном кожном покрове человека появляются болевые ощущения.

Spravochmk_Spas_5.qxp 05.06.2006 14:50-^Раде 11

Под температурой открытых наружных пожаров следует понимать температуру пламени, а внутренних - среднеобъемную температуру смеси продуктов сгорания с воздухом в объеме горящего помещения.

Абсолютные значения температуры наружных пожаров выше, чем внутренних. Это зависит от размеров зоны горения, характеристики горючих веществ, горючей загрузки, удельной теплоты пожара, объемно-планировочных решений объекта (зданий), условий газового обмена и других факторов. Температура пожара при горении различных материалов приведена в табл. 2.4.

Таблица 2.4 /2/

При одновременном горении разнородных веществ и материалов среднее значение температуры пожара определяется по весовой доле загрузки этих материалов. В помещениях большой высоты скорость образования максимальной температуры намного выше, чем в низких помещениях. Пожары в подвалах, трюмах судов, кабельных тоннелях, сушильных камерах и других от-

Spravochmk_Spas_5.qxp 05.06.2006 14:50-^Раде 12

носительно замкнутых помещениях характеризуются более высокой температурой пожара, так как в них передача тепла наружу конвекционными потоками ограничена и происходит его аккумуляция.

Температура пожара не является величиной постоянной. Она изменяется во времени и пространстве. Изменение температуры пожара во времени и пространстве называется температурным режимом пожара.

При внутренних пожарах под температурным режимом следует понимать изменение среднеобъемной температуры во времени, при наружных - во времени и пространстве зоны теплового воздействия до безопасных ее границ.

Распределение температур на пожаре по высоте и в плане происходит неравномерно. Максимальная температура образуется в зоне горения, а минимальная - по мере удаления от нее к границам зоны теплового воздействия (граница располагается там, где температура продуктов сгорания не превышает 50-60 °С). По мере удаления от зоны горения температура снижается за счет теплообмена, происходящего в окружающей среде.

Температуру пожара можно определить измерением с помощью термопар, оптических и радиационных пирометров, расчетом по теплосодержанию дымовых газов, по характерным внешним признакам нагрева тел, конструкций, материалов (плавление, цвета побежалости и др.). Температура пламени при горении и температура плавления некоторых веществ приведены в табл. 2.5 и 2.6.

Высокая температура в зонах горения и теплового воздействия может быть причиной гибели людей и животных, вызвать нагрев горючих материалов, их воспламенение, деформацию и обрушение строительных конструкций, оказать существенное влияние на развитие и обстановку пожара, создать сложные условия для осуществления боевых действий по тушению пожаров.

Человек при температуре 80-100 °С в сухом воздухе и 50-60 °С во влажном может находиться без средств специальной защиты несколько минут. Более высокая температура и длительное пребывание людей в зоне вредного теплового воздействия могут привести к ожогам, тепловым ударам, потере сознания и даже смертельному исходу.

Научная теория горения впервые была разработана М.В. Ломоносовым в 1756 г. В настоящее время общепризнанными теориями горения являются перекисная теория окисления академика А.Н. Баха, разработанная им в 1897 г., и цепная теория академика Н.Н. Семенова, разработанная в 1927 г.

Согласно перекисной теории окисления в результате взаимодействия окисляемого вещества с кислородом образуется перекись этого вещества. В реакцию вступают возбужденные молекулы кислорода, энергия которых выше средней энергии молекул вещества. Эту энергию

А.Н. Бах назвал энергией активации. Под действием этой энергии молекулы кислорода переходят в активное состояние, которое рассматривается как разрыв одной из двух связей в молекуле кислорода.

Молекулы могут активироваться под действием энергии различных видов. Так, активация молекулы хлора возникает под действием световой энергии, а молекулы кислорода - под действием тепловой энергии. Группа -О-О-, в которой атомы связаны слабее, чем в свободной молекуле, соединяясь с окисляемым веществом, образует перекись - сильный окислитель.

Цепная теория окисления развивает и дополняет перекисную и позволяет объяснить кинетическую сторону явления и причины ускорения процесса, и пути активации реагирующих веществ.

Известно, например, что смесь водорода и хлора, приготовленная в темноте, взрывается на свету. Первичной реакцией возникновения цепи

является распад молекулы хлора на атомы при поглощении кванта света. Атом хлора реагирует с молекулой водорода, образуя атом водорода и молекулу НСl. Образовавшийся при реакции атом водорода реагирует с молекулой хлора, регенерируя атом хлора.

Следовательно, образование одного атома хлора вызывает цепь реакций, прекращающихся тогда, когда в результате рекомбинации или реакции с примесью выбывает активный центр - атом водорода или хлора.

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением.

Пожар - неконтролируемое горение, происходящее вне специального очага и наносящее материальный ущерб.

Обычно горение протекает в воздухе, а в качестве окислителя выступает кислород. Однако имеется ряд веществ, которые могут гореть, соединяясь с другими окислителями. Например, ацетилен горит в хлоре, магний - в углекислом газе, фосфор возгорается, вступая в реакцию с хлором и бромом, и т.д. Ацетилен, хлористый азот и ряд других газов при сжатии могут взрываться, в результате происходит разложение вещества с выделением света и тепла. Таким образом, процесс горения может возникнуть не только при химической реакции соединения, но и при реакции разложения.

Химические процессы горения обычно сопровождаются физическими процессами перехода горючего вещества в жидкое и газообразное состояние. Например, воск, парафин и некоторые другие вещества под действием тепла превращаются вначале в жидкость, а затем в пар, который горит пламенем вне горючего вещества. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости сами не горят, а горят их пары, образующиеся на поверхности под воздействием тепла.

Для горения в воздухе горючего вещества необходимо наличие кислорода (не менее 14-15% к объему воздуха) или другого окислителя и температуры, при которой оно может гореть. Горение может происходить не только за счет кислорода воздуха, но и за счет кислорода, содержащегося в составе других

веществ и легко выделяющегося из них (перекиси, хлораты, селитры и др.).

Процесс горения протекает тем интенсивнее, чем больше удельная площадь соприкосновения горючего вещества с окислителем (бумажные обрезки горят интенсивнее, чем пачки бумаги) и чем выше концентрация окислителя, температура и давление. Если устранить хотя бы одну из причин, вызывающих горение, то процесс прекращается.

При пожарах температура достигает 1000-1300С, а в отдельных случаях, например, при горении магниевых сплавов, - 3000С.

Взрыв, детонация, вспышка, возгорание, самовозгорание, воспламенение, самовоспламенение - все это разновидности горения.

Взрыв - чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу. Эта работа совершается в результате возникновения ударной волны - скачкообразного изменения давления, распространяющегося в среде со сверхзвуковой скоростью.

Распространение взрыва, обусловленное прохождением ударной волны по веществу и протекающее для данного вещества при данных условиях с постоянной сверхзвуковой скоростью (порядка тысяч метров в секунду), называется детонацией.

В условиях производства могут образоваться взрывоопасные смеси горючих газов и паров (при определенной концентрации их в воздухе) - бензина, толуола, этилового спирта, ацетона, этилацетата и др. - в цехах глубокой и флексографской печати, лакировальных отделениях, отделениях изготовления фотополимерных форм, зарядки аккумуляторов. Это может происходить при отсутствии эффективной системы вентиляции, нарушении технологии, несоответствии электроустановок требованиям ПУЭ и т.д. Взрывоопасные смеси с воздухом образует также находящаяся в нем во взвешенном состоянии пыль крахмала, бумаги, алюминия, магния, канифоли, шеллака и т.д. Наиболее опасна пыль, которая образует взрывоопасные смеси с

воздухом при концентрации до 15 (алюминий, канифоль, шеллак и др.).

Вспышка - быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов. При этом выделяется недостаточно теплоты для образования новой концентрации паров горючей смеси, и горение прекращается.

Возгорание - возникновение горения под действием источника зажигания.

Самовозгорание - явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества (материала, смеси) в отсутствие источника зажигания. Самовозгорание может быть тепловое, микробиологическое и химическое.

Тепловое самовозгорание возникает при внешнем нагреве вещества (материала, смеси), превышающем температуру его самовозгорания, т.е. самую низкую температуру, при которой возникает его самонагревание. Например, дубовая, сосновая, еловая древесина и изделия из нее при температуре окружающей среды более 100С начинают самонагреваться - происходит разложение ее нестойких соединений. При 230-270С разложение ускоряется, и начинается окисление. Процесс разложения древесины является экзотермическим, и если тепло, выделяющееся при окислении, превышает теплоотдачу в окружающую среду, то накопление тепла приводит к самовозгоранию.

Чтобы предупредить тепловое самовозгорание, необходимо предохранять горючие вещества и материалы от действия внешних источников тепла.

Микробиологическое самовозгорание происходит в результате самонагревания, возникающего под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов в массе вещества (материала, смеси). К микробиологическому самовозгоранию склонны вещества растительного происхождения (в основном не высушенные) - сено, солома, опилки, листья, влажный рыхлый торф и др.

Химическое самовозгорание возникает в результате химического взаимодействия веществ. Например, некоторые бурые и каменные угли, сложенные в бурты, способны вследствие окисления и адсорбции самонагреваться и при недостаточной теплоотдаче в окружающую среду - самовозгораться. Если смочить волокнистые или измельченные материалы (например, вату, ветошь, древесные или даже металлические опилки) растительными маслами или животными жирами, то они распределяются тонким слоем по большой поверхности этих материалов, а затем интенсивно окисляются и полимеризуются, что сопровождается значительным выделением тепла. Промасленный волокнистый материал, сложенный в груду, имеет низкую теплоотдачу в окружающую среду. Поэтому накапливаемое тепло способствует ускорению процесса окисления и полимеризации, а также дальнейшему повышению температуры. Как только температура промасленного материала достигнет температуры воспламенения масла, произойдет его самовозгорание.

Минеральные масла (продукты переработки нефти) к самовозгоранию не склонны.

Воспламенение - это возгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Самовоспламенение - самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

В практике промышленных предприятий известны случаи самовозгорания промасленных обтирочных материалов и спецодежды, сложенных в груду; ледерина, покровный слой которого содержит льняное масло.

Некоторые химические вещества могут самовозгораться или вызывать возгорание других веществ на воздухе, при действии на них воды и при смешивании друг с другом.

В результате реакции окисления, особенно в присутствии влаги, самовозгораются некоторые металлические порошки (алюминия и цинка),

поэтому их надо хранить в герметически закрытых сосудах.

К веществам, вызывающим горение при действии на них воды, относятся карбиды кальция и щелочных металлов, гидриды щелочных и щелочноземельных металлов и др. Эти вещества при взаимодействии с водой обычно выделяют горючие газы, которые, нагреваясь за счет теплоты реакции, самовозгораются.

К веществам, самовозгорающимся при смешении друг с другом, относятся хлор и другие галоиды, азотная кислота, хромовый ангидрид, хлорная известь, перекись натрия и калия и др. Одни их этих окислителей при смешении или соприкосновении при нормальной температуре с органическими веществами могут вызывать их самовозгорание. Другие самовозгораются при действии на смесь окислителя с горючим веществом, серной или азотной кислот, при ударе или нагревании.

К веществам, самовоспламеняющимся на воздухе, относятся фосфор, цинковая и алюминиевая пыль, сульфиды, карбиды щелочных металлов и др.

Склонность к самовозгоранию веществ и материалов учитывают при разработке мер пожарной профилактики при их хранении, транспортировке, сушке, выполнении технологических операций и т.д.

Перечень показателей, необходимых для оценки пожаровзрывоопасности и пожарной опасности веществ и материалов в зависимости от их агрегатного состояния, приведен в табл. 1 приложения к Федеральному закону «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. Федеральный закон РФ 123».

Основными показателями при оценке пожарной опасности жидкостей являются: группа горючести; температура вспышки; температура воспламенения и концентрационные пределы воспламенения. Основные показатели при оценке пожарной опасности твердых веществ и материалов - группа горючести; температура воспламенения, температура самовоспламенения, склонность к самовозгоранию.

Группа горючести. Вещества и материалы подразделяются по горючести на три группы: негорючие, т.е. неспособные к горению на воздухе обычного состава; трудногорючие, которые могут возгораться и гореть при наличии источника зажигания, но не способны самостоятельно гореть при его удалении; горючие, возгорающиеся от источника зажигания и продолжающие гореть при его удалении. Горючие материалы подразделяются, в свою очередь, на легковоспламеняющиеся, т.е. такие, которые возгораются от источника зажигания незначительной энергии (спичка, искра и т.п.) без предварительного нагрева, и трудновоспламеняющиеся, которые возгораются только от сравнительно мощного источника зажигания.

Температура вспышки - самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для последующего горения.

Термин «температура вспышки» обычно относится к горючим жидкостям, но некоторые твердые вещества (камфара, нафталин, фосфор и др.), испаряющиеся при нормальной температуре, также характеризуются температурой вспышки. Чем ниже температура вспышки горючей жидкости, тем большую опасность представляет она в пожарном отношении.

По правилу Орманди и Грэвена температура вспышки равна

t в = t кип. Х К

где - температура кипения, град. К; К - коэффициент, равный 0,736.

По пожарной опасности в зависимости от температуры вспышки горючие жидкости делят на два класса:

1-й класс - легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) - бензин, толуол, бензол, ацетон, метиловый и этиловый спирты, эфир, керосин, скипидар и др.;

2-й класс - горючие жидкости (ГЖ) - минеральные масла, мазуты, формалин и др.;

Температура воспламенения - это температура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества (материала, смеси), при которой резко увеличивается скорость экзотермических реакций, заканчивающихся горением с образованием пламени.

Температура самовоспламенения не является постоянной даже для одного и того же вещества. Она зависит от концентрации кислорода в воздухе, давления, условий теплоотдачи в окружающую среду и т.д. Например, температура самовоспламенения горючих газов и паров колеблется в пределах 300-700С, дерева, торфа, бумаги, картона - 250-400С, целлулоида - 140-180С, винипласта - 580С, резины - 400С.

Концентрационные пределы воспламенения - минимальная и максимальная концентрации области воспламенения, т.е. области концентраций горючего вещества, внутри которой его смеси с данным окислителем (обычно воздухом) способны воспламеняться от источника зажигания с последующим распространением горения по смеси сколь угодно далеко от источника зажигания. Например, для ацетона нижний концентрационный предел воспламенения (взрыва) составляет 2,6%, а верхний - 12,2% (объемных), для бензина А-76 соответственно 0,76% и 5,03%, для этилового спирта - 3,3% и 18,4%, природного газа 5% и 16% и т.д.

Взрывоопасность горючих газов, паров и пыли тем больше, чем меньше нижний концентрационный предел воспламенения и чем больше разрыв между нижним и верхним пределами воспламенения. Таким образом, взрывоопасность прямо пропорциональна размеру области воспламенения.

Пожары классифицируются по виду горючего материала и подразделяются на следующие классы.

Пожары твердых горючих веществ и материалов (А).

Пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ и

материалов (В).

Пожары газов (С).

Пожары металлов (D).

Пожары горючих веществ и материалов электроустановок, находящихся под напряжением (Е).

Пожары ядерных материалов, радиоактивных отходов и радиоактивных веществ (F).

Показатели пожарной опасности веществ. Для полной оценки пожарной опасности твердых веществ и материалов, а также жидкостей и газов необходимы определенные показатели.

Температурой воспламенения называется наименьшая темпе­ратура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары или газы с такой скоростью, что после воспламенения их от внешнего источника зажигания вещество устойчиво горит. Температура воспламенения - показатель пожароопасности только горючих веществ и материалов, поскольку она характеризует способность их к самостоятельному горению.

Температурой самовоспламенения называется наименьшая темпе­ратура вещества (или его смеси с воздухом), при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению пламенного горения.

Температуру воспламенения газов и паров учитывают в случаях:

классификации газов и паров легковоспламеняющихся жидкостей по группам взрывоопасности для выбора типа электрооборудования (при этом имеют в виду стандартную температуру самовос­пламенения);

выбора температурных условий безопасного применения вещества при нагреве его до высоких температур (при этом используют минимальную температуру самовоспламенения);

вычисления максимально допустимой температуры нагрева не теплоизолированных поверхностей технологического, электрического и иного оборудования;

расследования причин пожара, если необходимо определить, могло ли самовоспламениться вещество от нагретой поверхности.

Склонность к самовозгоранию характеризует способность ряда веществ и материалов самовозгораться при нагревании до сравнительно небольших температур или контакте с другими вещес­твами, а также при воздействии тепла, выделяемого микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности. В соответствии с этим различают тепловое, химическое и микробиологическое самовозгорание.

Склонность к тепловому самовозгоранию характеризуется темпе­ратурами самонагревания и тления, а также зависимостью температуры среды, при которой наблюдается самовозгорание, от размеров и формы образца. Склонность к самовозгоранию учитывают при разработке пожарно-профилактических мероприятий.

Температурой самонагревания называется наименьшая темпе­ратура, при которой в веществе или материале возникают практически различимые экзотермические процессы окисления и разложения, которые могут привести к самовозгоранию.

Нагревание до температуры самонагревания - наименьшей температуры вещества, потенциально может представлять пожарную опасность. Температуру самонагревания учитывают при определении условий безопасного длительного (или постоянного) нагрева вещества.

Безопасной температурой нагревания данного вещества или материала (независимо от размеров образца) следует считать температуру, не превышающую 90 % величины температуры самонагревания.

Температурой тления называется критическая температура твердого вещества, при которой резко увеличивается скорость процесса самонагревания, что приводит к возникновению очага тления. Температуру тления учитывают при расследовании причин пожаров, определении безопасных условий нагревания твердых материалов и т.д.

Рассмотрим особенности протекания процесса окисления самовозгорающихся веществ растительного происхождения, ископаемых углей, масла и жира, химических веществ и смесей.

К числу самовозгорающихся веществ растительного проис­хождения относят шрот, рыбную муку, сено, жмыхи и др. Особенно подвержены самовозгоранию влажные растительные продукты, в которых продолжается жизнедеятельность микроорганизмов.
Наличие влаги в растительных продуктах при определенных температурах сопровождается размножением микроорганизмов, интенсификация жизнедеятельности которых вызывает повышение температуры. Растительные продукты - плохие проводники тепла, поэтому в них происходит дальнейшее повышение температуры.
При благоприятных для аккумуляции тепла условиях: значительной массе растительного продукта, например, сена или жмыха в трюме, температура может достигнуть 70°С.

При этой температуре микроорганизмы гибнут, а их разложение сопровождается дальнейшим повышением температуры с образо­ванием пористого угля, который способен поглощать пары и газы в большом объеме.
Этот процесс также сопровождается выделением тепла и постепенным повышением температуры до 100 - 130 °С, при котором происходит распад новых соединений с образованием пористого угля. При температуре 200 °С разлагается клетчатка, входящая в состав растительных продуктов, и образуется новый вид угля, способный интенсивно окисляться. Процесс окисления угля приводит к дальнейшему повышению температуры, вплоть до возникновения горения.

Самовозгораться способен и уголь, получаемый при термическом разложении целлюлозных материалов, например древесный уголь. Причем это происходит сразу после его изготовления. С течением времени его способность поглощать пары и газы уменьшается, вследствие чего древесный уголь, длительное время находившийся на воздухе, теряет склонность к самовозгоранию.

Ископаемый уголь некоторых видов способен окисляться при низких температурах и поглощать кислород из воздуха и другие газы или пары. Но главной причиной самовозгорания является окисление угля. Поглощение углем паров и газов также сопровождается повышением температуры.
Наибольшей поглотительной способностью обладает молодой уголь, содержащий влагу. Так, свежедобытый бурый уголь содержит 10 - 20% гигроскопической влаги, а тощий – примерно 1%, поэтому последний более устойчив к самовозгоранию. Повышение влаги вызывает повышение температуры угля до 60 - 75°С, а дальнейшее выделение тепла происходит за счет окисления органи­ческой массы.

Развитие процесса самовозгорания ископаемого угля зависит от степени его измельченности: чем мельче уголь, тем больше поверхность поглощения и окисления, больше скорость их протекания, тем больше выделяется тепла.

Нередко причиной пожара является самовозгорание жиров и масел минерального, растительного или животного происхождения , кото­рыми пропитаны волокнистые материалы и ткани.

Минеральные масла (машинное, соляровое, трансформаторное) представляют собой смесь предельных углеводородов и в чистом виде самовозгораться не могут. Самовозгорание их возможно при наличии примесей растительных масел. Растительные масла (конопляное, льняное, подсолнечное, хлопковое) и масла животного происхождения (сливочное) представляют собой смесь глицеридов жирных кислот.

Многие химические вещества и их смеси при соприкосновении с воздухом или влагой способны самонагреваться. Эти процессы нередко заканчиваются самовозгоранием.

По способности к самовозгоранию химические вещества подразделяются на три группы:

1-я группа.

Вещества, самовозгорающиеся при соприкосновении с воздухом (активированный уголь, фосфор белый, растительные масла и жиры, сернистые металлы, алюминиевый порошок, карбид щелочных металлов, порошкообразные железо, цинк и др.).
Окисление некоторых веществ этой группы, вызванное их взаимодействием с водяными парами воздуха, сопровождается выделением большого количества теплоты и протекает настолько быстро, что вскоре переходит в горение или взрыв. Для других веществ процессы самонагревания продолжаются длительное время (например, процесс самовозгорания белого фосфора заканчивается горением через несколько секунд, а процесс самовозгорания свежеприготовленного активированного угля продолжается несколько дней).

2-я группа.

Вещества, вызывающие горение при взаимодействии га с водой (щелочные металлы и их карбиды, окись кальция (негашеная известь), перекись натрия, фосфористый кальций, фосфористый натрий и др.).
Взаимодействие щелочных металлов с водой или влагой воздуха сопровождается выделением водорода, который воспламеняется за счет теплоты реакции. Попадание на негашеную известь небольшого количества воды вызывает самонагревание, заканчивающееся сильным разогревом (до свечения), поэтому находящиеся поблизости горючие материалы могуттзоспламениться.

3-я группа.

Вещества, самовозгорающиеся при смешивании одного с другим. Так, воздействие азотной кислоты на древесину, бумагу, ткани, скипидар и эфирные масла вызывает воспламенение последних; хромовый ангидрид воспламеняет спирты, эфиры и органические кислоты; ацетилен, водород, метан и этилен само­возгораются в атмосфере хлора на дневном свету; измельченное железо (опилки) самовозгорается в атмосфере хлора; карбиды щелочных металлов воспламеняются в атмосфере хлора и двуокиси углерода.

Температурой вспышки называется наименьшая температура горючего вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать в воздухе от внешнего источника зажигания.

Температура вспышки является параметром, ориентировочно показывающим температурные условия, при которых горючее вещество становится огнеопасным. Температура вспышки горючих жидкостей при данной классификации определяется только в закрытом тигле.

Областью воспламенения газов (паров) в воздухе называется область концентрации данного газа в воздухе при атмосферном давлении, внутри которой смеси газа с воздухом способны воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением пламени по смеси.

Граничные концентрации области воспламенения называют соответственно нижним и верхним пределами воспламенения газов (паров) в воздухе. Величины пределов воспламенения используют при расчете допустимых концентраций газов внутри взрывоопасных технологических аппаратов, систем вентиляции, а также при определении предельно допустимой взрывоопасной концентрации паров и газов при работах с применением огня, искрящего инструмента.

Величину концентрации газа или пара в воздухе внутри технологического аппарата, не превышающую 50% величины нижнего предела воспламенения, можно принимать как взрывобезопасную концентрацию. Обеспечение взрывобезопасности среды внутри аппа­ратуры при нормальном технологическом режиме не дает основания считать данное оборудование невзрывоопасным.

За величину предельно допустимой взрывобезопасной концен­трации (ПДВК) паров и газов при работе с применением огня, искрящего инструмента следует принимать концентрацию, которая не превышает 5% величины нижнего предела воспламенения данного пара или газа в воздухе при отсутствии в рассматриваемом аппарате конденсированной фазы.

Температурными пределами воспламенения паров в воздухе называются такие температурные границы вещества, при которых насыщенные пары образуют концентрации, равные соответственно нижнему или верхнему концентрационному пределу воспламенения.

Температурные пределы воспламенения учитывают при расчете безопасных температурных режимов в закрытых технологических объемах с жидкостями (топливные грузовые танки и т.п.), работающими при атмосферном давлении.

Безопасной, в отношении возможности образования взрыво­опасных паровоздушных смесей, следует считать температуру и максимальное давление взрыва.

Максимальное давление взрыва - это наибольшее давление, возникающее при взрыве. Его учитывают при расчете взрывоустойчивости аппаратуры с горючим газом, жидкостями и порошкообразными веществами, а также предохранительных клапанов и взрывных мембран, оболочек взрывонепроницаемого электро­оборудования.

Показатель возгораемости (коэффициент К) ~ безразмерная величина, выражающая отношение количества тепла, выделяемого образцом в процессе испытаний, к количеству тепла, выделяемому источником зажигания,

где q - тепло, выделенное образцом в процессе горения, ккал;

q и - тепловой импульс, т.е. тепло, подведенное к образцу от постоянного источника

поджигания, ккал.

По результатам испытаний степень возгораемости оценивается следующим образом.

Материалы несгораемые - материалы, которые при нагревании до 750°С не горят и на воздухе не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для их воспламенения от поднесенного пламени. Поскольку определенный по методу калориметрии коэффициент К < 0,1 , такие материалы не способны гореть на воздухе.

Материалы трудносгораемые - материалы, температура воспла­менения которых ниже 750°С, причем материал горит, тлеет или обугливается только под воздействием поднесенного пламени и перестает гореть или тлеть после его удаления (0,1 < К < 0,5).

Материалы трудновоспламеняемые (или самозатухающие) - мате­риалы, температура воспламе-нения которых ниже 750°С, причем материал горит, тлеет или обугливается под воздействием поднесенного пламени. После его удаления материал продолжает гореть затухающим пламенем, не рас-пространяющимся по образцу (0,5 < К < 2,1). Такие материалы не способны возгораться в воздушной среде даже при длительном воздействии источника зажигания незначительной энергии (пламени спички 750 - 800°С, тления папиросы 700 - 750°С и т.д.).

Материалы сгораемые - материалы, температура воспламенения которых ниже 750°С, причем материал, воспламенившись от поднесенного пламени, продолжает гореть или тлеть после его удаления (К > 2,1).

Скорость горения. Скорость горения твердого вещества зависит от его формы. Измельченные твердые вещества в виде опилок или стружек будут гореть быстрее, чем монолитные. У измельченного горючего вещества большая поверхность горения подвергается воздействию тепла, поэтому теплота поглощается намного быстрее, испарение происходит значительно активнее, с выделением большего количества паров. Горение протекает очень интенсивно, вследствие чего горючее вещество расходуется быстро. С другой стороны, монолитное горючее вещество будет гореть дольше, чем измельченное.

Облака пыли состоят из очень мелких частиц. Когда облако воспламеняющейся пыли (например, зерновой) хорошо перемешивается с воздухом и воспламеняется, горение происходит очень быстро и часто сопровождается взрывом. Такие взрывы наблюдались при погрузке и выгрузке зерна и других измельченных горючих веществ.

Различают две скорости горения: массовую и линейную.

Массовой скоростью горения называется масса (т, кг) вещества, выгоревшего в единицу времени (мин, ч).

Линейной скоростью горения твердых горючих веществ называется скорость распространения огня (м/мин) и скорость роста площади очага пожара (м 2 /мин). Скорость горения твердых веществ зависит от степени их измельчения, влажности, объемного веса, доступа воздуха и ряда других факторов.

Изучение случаев пожара на судах дает возможность принять следующую среднюю линейную скорость горения (м/мин) различных объектов:

Посты управления.....................................................................0,5

Жилые помещения...................................................................1,0-1,2

Хозяйственные помещения, кладовые сгораемых материалов.....0,6-1,0

Грузовые помещения..................................... .........................0,5-0,7

Палубы автомобильных паромов............... ...............................1,5

Машинное отделение с ДВС при горении дизельного топлива под плитами....10

Отделения вспомогательных механизмов......... .........................1,2

Помещения электрооборудования.............................................0,8

Котельные отделения при горении мазута под плитами.............8,0

Примерно в течение первых 2-3 мин пожара быстро увели­чивается площадь его очага (на пассажирских судах - до 20 м 2 /мин). Это время уходит обычно на сбор по тревоге экипажа судна и поэтому активная борьба с пожаром еще не ведется. В последующие 10 мин, когда начинают использоваться стационарные средства водо- и пенотушения, рост площади очага пожара замедляется.

Линейная скорость распространения огня определяет площадь очага пожара, а степень выгорания всего, что может гореть на этой площади, - продолжительность пожара.

Линейная скорость горения жидкости характеризуется высотой ее слоя (мм, см), выгоревшего в единицу времени (мин, ч). Скорость распространения пламени при воспламенении горючих газов составляет от 0,35 до 1,0 м/с.

Скорость выгорания характеризуется количеством горючего, сгорающего в единицу времени с единицы площади горения. Она определяет интенсивность сгорания материалов при пожаре. Ее необходимо знать для расчета продолжительности пожара в любых жидкостях. Скорость выгорания жидкости, разлитой на поверхности морской воды, примерно такая же, как и при выгорании ее с открытых поверхностей емкостей.

Температура. Важнейшим параметром судового пожара, в значи­тельной мере определяющим не только инженерно-профилактические мероприятия, но и тактические действия аварийных партий и групп судов является температура. Особенно большое значение имеет температура при внутренних судовых пожарах.

От температуры пожара зависит интенсивность теплопередач от зоны пожара в окружающую среду, скорость движения газовых потоков, а также возможность взрывов, представляющих крайнюю опасность при тушении пожара.

Температурное поле пожара весьма неоднородно. Чем ближе к зоне пожара, тем температура, как правило, выше. В верхней части помещений воздух обычно более нагрет, чем у палуб. С учетом поведения судовых конструкций и материалов и с пожарно-тактической точки зрения удобнее всего за температуру пожара принять среднюю температуру дымовых газов, заполняющих зону пожара. Существенное значение имеют также температуры на поверхностях судовых конструкций, ограждающих зону пожара: температура на поверхности, обращенной к огню, и температура на противоположной огню поверхности.

Ориентировочно температуру в некоторых точках зоны пожара можно определить косвенным путем - по оплавлению несгоревших материалов, находившихся в зоне пожара, или по цвету каления нагретых тел (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Зависимость цвета каления от температуры

При горении твердых материалов температура пожара зависит главным образом от рода материалов, величины пожарной нагрузки, условий притока воздуха и удаления продуктов сгорания, а также продолжительности горения.

Зависимость температуры пожара от продолжительности горения для всех твердых веществ имеет приблизительно одинаковый характер. Вначале температура резко возрастает до максимума, а по мере выгорания материала происходит ее постепенный спад. При повышении пожарной нагрузки увеличивается общая продолжи­тельность горения, возрастает максимальная температура пожара, спад температуры происходит медленнее, но характер зависимости остается неизменным.

В условиях ограниченного газообмена, например при закрытых проемах в жилом помещении, увеличение температур происходит значительно медленнее. Максимальная температура достигает 800 -900°С.

Температурный режим в помещениях при горении жидкостей имеет свои особенности. Поскольку жидкости обычно находятся в каких-либо сосудах (в поддонах, цистернах и т.д.), их горение зачастую имеет локальный характер. В этих условиях, если отношение площади горения к площади палубы близко к единице, температура пожара составляет приблизительно 1100°С. Если же площадь горения составляет лишь небольшую часть площади палубы, температура значительно ниже.

Температурный режим пожара при одновременном горении жидкостей и твердых материалов зависит от того, какие горючие материалы преобладают: если жидкости составляют лишь небольшую часть пожарной нагрузки, то температурный режим мало отличается от режима твердых материалов.

При внутренних пожарах в зоне агрессивного воздействия тепла могут быть внезапные конвективные потоки раскаленных газов, которые возникают при изменении условий газообмена, вызываемых открыванием дверей и других проемов.

Зона агрессивного воздействия тепла является частью зоны задымления , в ней возможны опасные для человека температуры. Человек способен очень короткое время находиться в сухом воздухе, имеющем температуру 80 - 100°С. Длительное пребывание при температуре 50 - 60°С вызывает тягчайшие последствия от перегре­вания. Влажный воздух при температуре 50 - 60°С для многих людей становится непереносимым через несколько минут.

При оценке пожарной опасности газов определяют область воспламенения в воздухе, максимальное давление взрыва, температуру самовоспламенения, категорию взрывоопасной смеси, минимальную энергию зажигания, минимальное взрывоопасное содержание кисло­рода, номинальную скорость горения.

При оценке пожарной опасности жидкостей определяют группу горючести, температуру вспышки, температуру воспламенения, темпе­ратурные пределы воспламенения, скорость выгорания. Для легко­воспламеняющихся жидкостей дополнительно определяют область вос­пламенения в воздухе, максимальное давление взрыва, категорию взрывоопасной смеси, минимальную энергию зажигания, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, нормальную скорость горения.

При оценке пожарной опасности всех твердых веществ и материалов определяют группу возгораемости, температуру воспла­менения. Для твердых веществ с температурой плавления ниже 300°С дополнительно определяют: температуру вспышки, температурные пределы воспламенения паров в воздухе.
Для пористых, волокнистых и сыпучих материалов при необходимости дополнительно определяют температуру самонагревания, температуру тления при самовозгорании, температурные условия теплового самовозгорания.
Для веществ порошкообразных или способных образовать пыль дополнительно определяют нижний предел воспламенения аэровзвеси, максимальное давление взрыва аэровзвеси, минимальную энергию зажигания аэро­взвеси, минимальное взрывоопасное содержание кислорода.

При оценке пожарной опасности вещества необходимо изучить его свойства, выявить возможность их изменения с течением времени и при использовании в определенных условиях. В особенности это важно учитывать при контакте вещества с другими активными веществами при длительном нагреве, облучении и других внешних воздействиях, в результате которых могут измениться его физико-химические свойства.

При испытании судостроительных, а также других твердых материалов на возгораемость первоначально выявляется группа сгораемых материалов методом огневой трубы.

Материал считается сгораемым , если при испытании методом огневой трубы время самостоятельного горения или тления превышает 1 мин, а потеря веса образца - 20%. К сгораемым материалам относятся также материалы, самостоятельно горящие пламенем по всей поверхности образца, независимо от потери веса и времени его горения. Такие материалы дальнейшим испытаниям не подвергаются.

Материалы, имеющие потерю веса менее 20%, а также материалы, теряющие 20% веса и более, но самостоятельно горящие или тлеющие менее 1 мин для окончательной оценки степени возгораемости подвергаются дополнительным испытаниям по методу калориметрии.