Глава 4. ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Понятие пожарной опасности складывается не только из склонности вещества к горению как окислительному процессу, но и зависит от состояния внешней среды, в которой это вещество (материал, объект) находится. Пожарная опасность определяется не только способностью вещества воспламеняться, но и интенсивностью процесса горения и сопутствующих горению явлений (дымообразование, токсичность), а также, возможностью прекращения этого процесса. Для оценки степени пожарной опасности веществ необходимо знать количественные параметры процессов их горения. Однако при нахождении количественных параметров возникают определенные трудности, так как эти показатели не являются постоянными. Они зависят от природы горючего вещества, его агрегатного состояния, концентрации горючего и окислителя, температуры, условий тепловыделения и теплоотвода и т. д. В большинстве случаев на характеристики горения оказывают решающее влияние чисто физические процессы и явления: процессы массо- и теплопередачи, геометрия и пространственное расположение горючих объектов, аэродинамические условия, энергия источника зажигания, время его воздействия.
Перечисленные обстоятельства, которые оказывают влияние на параметры воспламенения и горения, являются причиной существования множества методов оценки пожарной опасности.
Пожарную опасность веществ нельзя охарактеризовать каким-то одним показателем, а только определённым набором, отражающим взрыво- и пожароопасность вещества на разных стадиях развития процесса горения. Число этих показателей зависит также от агрегатного состояния вещества. Поскольку все совокупности изменения и комбинаций внешних факторов учесть нельзя, то система оценки пожароопасных свойств, принятая в настоящее время, унифицирована именно по показателям, характеризующим свойства горючих материалов, окислительной среды и средств пожаротушения, определяемым в нормальных условиях. При иных условиях, например, при повышенных температурах, давлении и т. д., те же параметры пожарной опасности оцениваются дополнительно, учитывая в экспериментальных и расчётных методах заданные начальные условия. Практически любой из существующих методов оценки того или другого показателя пожарной опасности позволяет учитывать влияние только некоторых факторов на степень пожарной опасности, и поэтому методик его определения оказывается несколько. Примером служит определение концентрационных пределов воспламенения, температуры вспышки в приборах закрытого и открытого типа, различные способы нахождения температуры самовоспламенения и т. д. В других методиках оценивают показатели пожарной опасности независимо от реальных внешних условий (например, калориметрические измерения). Более полное представление о пожарной опасности могут дать натурные крупномасштабные испытания, но и они не отражают всего многообразия ситуаций, в которых может оказаться материал при воспламенении и горении.
Наиболее общим показателем пожарной опасности является горючесть материала или вещества, независимо от его агрегатного состояния. Согласно этому показателю, все материалы (вещества) можно разделить на три группы: негорючие, горючие и трудногорючие. Этот показатель характеризуется качественно и количественно. Качественная классификация основывается на способности к горению при воздействии источника зажигания и после его удаления.
Негорючими считаются вещества, неспособные гореть при последовательном нагревании вплоть до температуры 900 ºС. Тем не менее некоторые из них являются пожароопасными. Наиболее распространёнными группами негорючих, но пожароопасных веществ являются следующие:
§ окислители (перманганат калия, азотная кислота, кислород и т. д.);
§ вещества, реагирующие с водой (негашеная известь СаО);
§ вещества, при нагревании которых в закрытых объемах и сосудах происходит повышение давления, например, сжатые и сжиженные газы, а также термически не устойчивые вещества, которые при разложении выделяют газы;
§ вещества, выделяющие горючие газы при реакциях с водой (например, карбид кальция);
§ вещества, способные к взрывчатым превращениям без участия кислорода воздуха.
Трудногорючие вещества при нагревании способны воспламеняться при воздействии источника зажигания, но после его удаления самостоятельно не горят.
Горючие вещества способны самовоспламеняться, самовозгораться и самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. Их разделяют на легко- и трудновоспламеняющиеся. Трудногорючие и горючие вещества имеют область воспламенения, характеризуются температурными показателями пожарной опасности, скоростью горения, для их тушения применяются огнетушащие вещества и т. д.
Число и вид показателей для оценки пожароопасных свойств трудногорючих и горючих веществ определяется в зависимости от их агрегатного состояния. У жидкостей и твердых веществ пожароопасных показателей больше, чем у газов. Эти дополнительные показатели, по существу, характеризуют процессы испарения и выделения летучих, а поэтому связаны с температурами при нагревании жидкостей и твердых веществ. Например, для воспламенения и устойчивого горения необходимо, чтобы поверхность жидкости в достаточном количестве «питала» пламя летучими продуктами, а скорость испарения жидкости связана с её температурой, поэтому вводят понятие температуры вспышки и воспламенения. То же относится и к твердым веществам. Вместе с тем для твердых и жидких трудногорючих и горючих веществ и материалов некоторые показатели, применяемые для газов, теряют смысл, так как не могут быть реализованы. Например, понятие верхнего концентрационного предела воспламенения неприменимо для жидкостей, находящихся в открытых резервуарах, твердых горючих − на открытом воздухе. В табл. 4.1 приведены показатели пожаро- и взрывоопасных свойств веществ, принятые в нашей стране. В основу классификации положен принцип деления материалов по агрегатному состоянию.
Для большинства горючих веществ в качестве критериев их пожаро- и взрывоопасных свойств выбирают характеристики, которые дают представление о безопасных условиях их эксплуатации, хранения, транспортировки.
Таблица 4.1
Показатели пожарной безопасности веществ и материалов
| Показатели | Агрегатное состояние вещества | ||
| газ | жидкость | твердое | |
| Группа горючести | + | + | + |
| Температура вспышки | - | + | + |
| Температура воспламенения | - | + | + |
| НКПВ | + | + | + |
| ВКПВ | + | + | - |
| ТПВ | - | + | - |
| Температура самонагревания | - | - | + |
| Температурные условия теплового самовозгорания | - | - | + |
| Минимальная энергия зажигания | + | - | + (пыли) |
| Кислородный индекс | - | + | - |
| Скорость выгорания | - | - | + |
| Коэффициент дымообразования | + | + | + |
| Удельная скорость дымообразования | + | + | + |
| Токсичность продуктов горения | + | + | + |
| Минимальное взрывоопасное содержание кислорода | + | + | + |
| Флегматизирующая концентрация | + | + | + |
Окончание табл. 4.1
| Минимальная огнетушащая концентрация средств объемного тушения | + + | + + | - + (взвеси) |
| Характер взаимодействия с водопенными средствами тушения | + | + | + (взвеси) |
Показатели взрывопожароопасности веществ и материалов могут быть определены экспериментальным или расчётным путем. В основу теоретических расчётных методов положены термодинамические параметры веществ: теплоты образования, сгорания, испарения, температуры кипения, а также константы химических реакций в пламени, характеристики диффузионных процессов и параметры теплопередачи. На практике использование перечисленных параметров в расчётных формулах ограничено в связи со сложностью их взаимосвязи с показателями пожарной опасности. Существующие эмпирические методы, как правило, учитывают физико-химические и термодинамические свойства веществ, но вводят упрощающие предложения, так как в большинстве случаев невозможно найти прямой взаимосвязи между этими свойствами и показателями пожарной опасности. Поэтому эмпирические методы не являются точными, а их корректность устанавливается путем сопоставления результатов расчета с данными прямых экспериментов. Так обстоит дело с расчётом концентрационных пределов воспламенения, температурой самовоспламенения, вспышки и т. д.
Расчётные методы определения показателей пожарной опасности позволяют значительно сократить объём эксперимента, выявить недостоверные величины в эксперименте, а также помогают в тех случаях, когда специалисты не располагают соответствующим лабораторным оборудованием.
Для оценки пожароопасных свойств веществ все показатели можно разделить на несколько групп, характеризующих различные этапы и стороны развития и прекращения горения.
Первая группа на основании расчёта или эксперимента решает вопрос о горючести: негорючее, трудногорючее или горючее вещество.
Вторая группа показателей характеризует способность вещества к самовоспламенению и зажиганию от внешних источников: температура самовоспламенения, вспышки, энергия зажигания, температурные условия самовозгорания, кислородный индекс, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, значение концентрационных и температурных пределов горения (воспламенения), критический гасящий диаметр и т. д.
В третью группу входят показатели, характеризующие способность вещества к распространению пламени (скорость выгорания и скорость распространения пламени), и показатели, косвенно характеризующие процесс горения (коэффициент дымообразования, удельная скорость дымообразования, токсичность продуктов горения).
Четвертая группа показателей относится к средствам тушения: концентрация флегматизатора, минимальная концентрация средств объёмного тушения, характер взаимодействия с водопенными средствами тушения.
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 температуре в растительных продуктах (самовозгорание зерна);
§ 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) концентрационный предел распространения пламени (НКПРП) − минимальное (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. Чем ниже нижний концентрационный предел и больше концентрационная область распространения пламени, тем большую пожарную опасность представляют горючие вещества.
В первом случае взрыв не происходит из-за недостатка горючего вещества, во втором − из-за недостатка воздуха (кислорода), необходимого для окисления горючего вещества.
Температура самовоспламенения − характеризует минимальную температуру вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения.
Температура вспышки ( 
)− наименьшая температура горючей жидкости, при которой в условиях специальных испытаний над её 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;
§ горючие (ГЖ) с температурой вспышки паров выше 61 и 66 °С.
ЛВЖ, в свою очередь, делятся на три группы:
§ особо опасные ЛВЖ − имеющие температуру вспышки от – 18 °С и ниже в закрытом тигле или – 13 °С и ниже – в открытом;
§ постоянно опасные ЛВЖ − имеющие температуру вспышки от
–18 ° до +23 °С в закрытом тигле или от – 13 ° до +27 °С − в открытом;
§ опасные при повышенной температуре ЛВЖ. К данному разряду относятся жидкости с температурой вспышки от +23 ° до +61 °С включительно в закрытом тигле или от +27 ° до +66 °С − в открытом.
Температура воспламенения ( 
) − 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.
Горение сопровождается выделением тепла, продуктов сгорания и свечением. Для устойчивого горения необходимо, чтобы теплообразование при этом процессе было больше теплоотдачи в окружающую среду. Если в результате горения образуются газы, то горение сопровождается пламенем.
Процесс воспламенения горючих газов и жидкостей без поднесения к ним открытого огня, а только под влиянием внешнего воздействия тепла называется самовоспламенением.
Температурные пределы воспламенения − температуры, при которых насыщенные пары вещества образуют в данной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему и верхнему концентрационным пределам воспламенения жидкостей.
Горючие вещества могут быть в трёх 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. 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 определённых 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, называется
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: так при увеличении температуры на 100 ºС величина нижних пределов воспламенения уменьшается на 8−10 %, верхних − увеличивается на 12−15 %.
Пожарная опасность вещества тем больше, чем ниже нижний и выше верхний пределы воспламенения и чем ниже температура самовоспламенения.
Контрольные вопросы
1. Чем определяются виды горения?
2. Как турбулентность газового потока влияет на процесс горения?
3. Какая величина используется в качестве количественной характеристики процесса горения твердых материалов?
4. Чем определяется критическое условие?
5. Каким образом определяется условие пожарной безопасности при тепловом самовозгорании?
6. Что такое температура вспышки?