Общие сведения о горении и взрыве
Лекция
Аварии на взрывопожароопасных объектах
Пожары и взрывы являются самыми распространенными чрезвычайными событиями в современном индустриальном обществе. Наиболее часто и, как правило, с тяжелыми социальными и экономическими последствиями происходят пожары на пожароопасных и пожаро- и взрывоопасных объектах экономики (ОЭ).
В России имеется свыше 8 тысяч пожаро- и взрывоопасных ОЭ. Наиболее часто аварии со взрывами и пожарами происходят на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности, а также складах боеприпасов. Они приводят к серьезным последствиям: разрушению промышленных и жилых зданий, поражению производственного персонала и населения, значительным материальным потерям.
На предприятиях, производящих порох, ракетное твердое топливо, взрывчатые вещества, пиротехнические средства и составы, а также продукцию на их основе, возможны еще более масштабные происшествия с массовым поражением работников предприятий и населения близлежащих населенных пунктов, разрушением промышленных объектов, складов и арсеналов. Материальный ущерб от пожаров и взрывов исчисляется десятками миллиардов рублей.
Пожароопасность сегодня возрастает, так как в промышленности, строительстве и быту применяется множество легковоспламеняющихся веществ и материалов. Используются в огромных количествах нефть и нефтепродукты, природный газ. В производстве сохраняются и внедряются сложные и энергоемкие технологии, обладающие высокой потенциальной пожароопасностью. Все это требует повышенного внимания к противопожарной защите, осторожности, высокой технологической дисциплины. Многие предприятия и иные ОЭ имеют свои специфические требования по обеспечению пожарной безопасности.
Общие сведения о горении и взрыве
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.
По степени горючести вещества делятся на горючие (сгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и негорючие (несгораемые).
К горючим относятся такие вещества, которые при воспламенении посторонним источником продолжают гореть и после его удаления.
К трудногорючим относятся такие вещества, которые не способны распространять пламя и горят лишь в месте воздействия источника зажигания.
Негорючими являются вещества, не воспламеняющиеся даже при воздействии достаточно мощных источников зажигания (импульсов).
Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образует газообразные продукты, которые при смешении с воздухом, содержащим определенное количество кислорода, образуют горючую среду. Горючая среда может образоваться при тонкодисперсном распылении твердых и жидких веществ.
Горючие газы (ГГ) – вещества, способные образовывать с воздухом воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 50 °С. К горючим газам относятся индивидуальные вещества: аммиак, ацетилен, бутадиен, бутан, бутилацетат, водород, винилхлорид, изобутан, изобутилен, метан, окись углерода, пропан, пропилен, сероводород, формальдегид, а также пары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей.
Следует отметить, что многие вещества, образующие с воздухом взрывоопасную смесь, одновременно являются и токсичными, что определяет их двойную опасность: аммиак, дихлорэтан, метил хлористый, метилмеркаптан, метилтрихлорсилан, окись углерода, окись этилена, сероводород, сероуглерод, толуол, этилмеркаптан, этил хлористый и др.
Легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) – вещества с температурой вспышки не выше 61 °С (в закрытом тигле) или 66 °С (в открытом), способные воспламеняться от кратковременного (не более 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламени спички, искры, тлеющей сигареты и т.д.) и самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. К таким жидкостям относятся индивидуальные вещества: ацетон, бензол, гексан, гептан, диметилфорамид, дифтордихлорметан, изопентан, изопропилбензол, ксилол, метиловый спирт, сероуглерод, стирол, уксусная кислота, хлорбензол, циклогексан, этилацетат, этилбензол, этиловый спирт, а также смеси и технические продукты: бензин, дизельное топливо, керосин, уайтспирт, растворители.
Горючие жидкости (ГЖ) – вещества, способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющие температуру вспышки выше 61 °С (в закрытом тигле) или 66 °С (в открытом). К горючим жидкостям относятся следующие индивидуальные вещества: анилин, гексадекан, гексиловый спирт, глицерин, этиленгликоль, а также смеси и технические продукты, например, масла: трансформаторное, вазелиновое, касторовое.
Горючие пыли (ГП) – твердые вещества, находящиеся в мелкодисперсном состоянии (частицы размером менее 850 мкм). Осевшая на стенах, потолке, поверхностях оборудования пыль (аэрогель) пожароопасна. Горючая пыль, у которой нижний концентрационный предел воспламенения не превышает 65 г/м3, находящаяся в воздухе (аэрозоль), способна образовывать с ним взрывчатые смеси: мука древесная, пробковая; пыль угольная, эпоксидная, сахарная, крахмальная, мучная, серная и др.
Наибольшая скорость горения наблюдается в чистом кислороде. При уменьшении содержания кислорода в воздухе горение прекращается. Горение при достаточной и надмерной концентрации окислителя называется полным, а при его нехватке – неполным. Выделяют три основных вида самоускорения химической реакции при горении: тепловой, цепной и цепочно-тепловой. Тепловой механизм связан с экзотермичностью процесса окисления и возрастанием скорости химической реакции с повышением температуры. Цепное ускорение реакции связано с катализом превращений, которое осуществляют промежуточные продукты превращений. Реальные процессы горения осуществляются, как правило, по комбинированному (цепочно-тепловому) механизму.
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.
Самовоспламенение – самовозгорание, сопровождается появлением пламени.
В случае неконтролируемого процесса горения, сопровождающегося уничтожением материальных ценностей и создающем опасность для жизни людей, говорят о пожаре.
В соответствии с правилами пожарной безопасности в РФ ППБ–01–93 пожары делятся на 5 классов:
Класс А – пожары твердых веществ, в основном органического происхождения, горение которых сопровождается тлением (древесина, текстиль, бумага, уголь) и не сопровождается тлением (пластмасса);
Класс В – пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ, нерастворимых в воде (бензин, эфир, нефтепродукты), растворимых в воде (спирт, метанол, глицерин);
Класс С – пожары газов;
Класс Д – пожары металлов и их сплавов;
Класс Е – пожары, связанные с горением электрических установок.
Пожары по своим масштабам и интенсивности подразделяются на следующие виды:
- отдельные пожары;
- сплошной пожар;
- огневой шторм;
- массовый пожар.
Отдельный пожар - пожар, возникший в отдельном здании или сооружении. Продвижение людей и техники по застроенной территории между отдельными пожарами возможно без средств защиты от теплового излучения.
Сплошной пожар - одновременное интенсивное горение преобладающего количества зданий и сооружений на данном участке застройки (90% зданий и сооружений). Продвижение людей и техники через участок сплошного пожара невозможно без средств защиты от теплового излучения.
Огневой шторм - особая ферма распространяющегося сплошного пожара, характерными признаками которого являются: приток свежего воздуха, со всех сторон со скоростью не менее 50 км/час по направлению к границам огневого шторма. (Охватывает 90% зданий).
Массовый пожар - совокупность отдельных и сплошных пожаров, охвативших более 25% зданий.
Пожары характеризуются следующими параметрами:
- Продолжительность пожара - время с момента его возникновения до полного прекращения горения.
- Температура внутреннего пожара - среднеобъемная температура газовой среды в помещении.
- Температура открытого пожара - температура пламени.
- Площадь пожара - площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость.
- Зона горения - часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению и их горение.
- Зона теплового воздействия - часть пространства, примыкающего к зоне горения, в котором тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в нем людей без специальной тепловой защиты.
- Зона задымления - часть пространства, примыкающего к зоне горения и заполнения дымовыми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровью людей или затрудняющих действия пожарных подразделений.
- Фронт сплошного пожара - граница сплошного пожара, по которой огонь распространяется с наибольшей скоростью.
- Скорость распространения сплошного пожара - скорость его перемещения.
- Распространение пожара - процесс распространения зоны горения по поверхности материалов за счет теплопроводности, тепловой радиации и конвенции. Основную роль в распространении пожара играет тепловая радиация племени. Тепло в окружающую среду передается за счет теплопроводности, конвенции и излучения.
Взрыв – быстропротекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением значительного количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная привести или приводящая к возникновению техногенной чрезвычайной ситуации.
Взрывчатыми веществами называются неустойчивые химические соединения или смеси, чрезвычайно быстро переходящие под воздействием определенного импульса в другие устойчивые вещества с выделением значительного количества тепла и большого объема газообразных продуктов, которые находятся под очень большим давлением и, расширяясь, выполняют ту или иную механическую работу.
Классическими примерами взрывчатых веществ являются химические соединения (гексоген, тротил и др.) и механические смеси (аммиачно-селитренные и нитроглицериновые). Различают инициирующие, бризантные и метательные твердые взрывчатые вещества.
Инициирующие ВВ обладают наибольшей чувствительностью к внешним воздействиям. Развитие процесса детонации в них происходит за очень малый промежуток времени, почти мгновенно, и поэтому они способны детонировать в очень малых количествах от таких простых начальных импульсов, как искра и луч пламени, возбуждая взрывчатое превращение в других менее чувствительных веществах. Инициирующие ВВ применяются для снаряжения капсюлей детонаторов и электродетонаторов.
Бризантные ВВ получили свое название от французского слова "briser", что значит дробить, разламывать. Они не детонируют от таких простых начальных импульсов, как искра и луч пламени. Для возбуждения в них детонации необходим начальный импульс в виде взрыва небольшого количества инициирующего ВВ. Бризантные ВВ являются основными веществами, применяемыми для снаряжения боеприпасов (снарядов, мин, бомб) и производства взрывных работ, как для военных, так и для народнохозяйственных целей.
Метательные ВВ характеризуются тем, что их дробящее действие проявляется в незначительной степени по сравнению с действием в виде отбрасывания и разбрасывания окружающей среды. Они легко воспламеняются от удара, трения, искры, прострела пулей. На взрывных работах применяются очень редко, находят применение в различных боеприпасах и в огнепроводных шнурах.
Характеристики взрывчатых веществ:
- чувствительность к внешним воздействиям (удар, свет, накол);
- теплота превращения при взрыве;
- скорость детонации;
- бризантность (мощность), которая зависит от скорости детонации;
- фугасность (работоспособность).
Горючие смеси образуются из горючих газов и пыли 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.
Горючие пыли по степени взрыво- и пожароопасности делятся на четыре класса.
1-й класс – наиболее взрывоопасные – аэрозоли, имеющие нижний концентрационный предел воспламенения (взрываемости) (НКПВ) до 15 г/м3 (сера, нафталин, канифоль, пыль мельничная, торфяная, эбонитовая).
2-й класс – взрывоопасные – аэрозоли, имеющие величину НКПВ от 15 до 65 г/м3 (алюминиевый порошок, лигнин, пыль мучная, сенная, сланцевая).
3-й класс – наиболее пожароопасные – аэрогели, имеющие величину НКПВ больше 65 г/м3 и температуру самовоспламенения до 250 °С (табачная, элеваторная пыль).
4-й класс – пожароопасные – аэрогели, имеющие величину НКПВ больше 65 г/м3 и температуру самовоспламенения больше 250 °С (древесные опилки, цинковая пыль).
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 пылям не применяется.