Механизмы возникновения и развития пожаров
Основные сведения о пожаре и взрыве
Пожар — неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб и создающее опасность для жизни и здоровья людей.
Горение — окислительный процесс, возникающий при контакте горючего вещества, окислителя и источника зажигания.
Под термином горючее вещество подразумевается вещество, которое способно самостоятельно гореть после того, как будет удален внешний источник зажигания. Горючее вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Горючими веществами являются большинство органических веществ, ряд газообразных неорганических соединений и веществ, многие металлы и т. д. Наибольшую взрывопожарную опасность представляют газы.
Для воспламенения горючей жидкости над ее поверхностью сначала должна образоваться паровоздушная смесь. Горение жидкостей возможно только в паровой фазе; при этом поверхность самой жидкости остается сравнительно холодной. Среди горючих жидкостей выделяют класс наиболее опасных – легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ). К ЛВЖ относятся бензин, ацетон, бензол, толуол, некоторые спирты, эфиры и т. п.
Существует ряд веществ (газообразных, жидких или в твердом состоянии), которые способны самовоспламеняться при контакте с воздухом без предварительного нагрева (при комнатной температуре). Такие вещества называют пирофорными. К ним относятся: белый фосфор, гидриды и металлоорганические соединения легких металлов и др.
Существует также достаточно большая группа веществ, при контакте которых с водой или водяными парами, находящимися в воздухе, начинается химическая реакция, протекающая с выделением большого количества теплоты. Под действием выделяющейся теплоты происходит самовоспламенение горючих продуктов реакции и исходных веществ. К этой группе веществ относятся щелочные и щелочноземельные металлы (литий, натрий, калий, кальций, стронций, уран и др.), гидриды, карбиды, фосфиды указанных металлов, низкомолекулярные металлоорганические соединения (триэтила-люминий, триизобутилалюминий, триэтилбор) и др.
Горение твердого вещества происходит по более сложному механизму, в несколько стадий. При воздействии внешнего источника происходит прогрев поверхностного слоя твердого вещества, из него начинается выделение газообразных летучих продуктов. Этот процесс может сопровождаться или плавлением поверхностного слоя твердого вещества, или его возгонкой (образованием газов, минуя стадию плавления). При достижении определенной концентрации горючих газов в воздухе (нижнего концентрационного предела) они воспламеняются и посредством выделяющейся теплоты начинают сами воздействовать на поверхностный слой, вызывая его плавление и поступление в зону горения новых порций горючих газов и паров твердого вещества.
Рассмотрим в качестве примера древесину. При нагревании до 110 °C происходят высушивание древесины и незначительные испарения смолы. Слабое разложение начинается при 130 °C. Более заметное разложение древесины (изменение цвета) происходит при температуре 150 °C и выше. Образующиеся при 150–200 °C продукты разложения составляют в основном воду и углекислый газ, поэтому гореть не могут. При температуре выше 200 °C начинает разлагаться главная составная часть древесины – клетчатка. Газы, образующиеся при этих температурах, являются горючими, так как они содержат значительные количества окиси углерода, водорода, углеводородов и паров других органических веществ. Когда концентрация этих продуктов в воздухе станет достаточной, при определенных условиях произойдет их воспламенение.
Если горючее вещество при плавлении растекается, оно увеличивает очаг горения (например, каучук, резина, металлы и т. д.). В том случае, если вещество не плавится, кислород постепенно подходит к поверхности горючего и процесс приобретает форму гетерогенного горения (например, выжигание кокса). Процесс горения твердых веществ сложен и многообразен, он зависит от многих факторов (дисперсность твердого материала, его влажность, наличие пленки окислов на его поверхности и ее прочность, присутствие примесей и т. д.).
Более интенсивно (часто со взрывом) происходит возгорание мелкодисперсных металлических порошков и пылевидных горючих материалов (например, древесной пыли, сахарной пудры).
В качестве окислителя при пожаре наиболее часто выступает кислород, содержание которого в воздухе составляет около 21 %. Сильными окислителями являются перекись водорода, азотная и серная кислоты, фтор, бром, хлор и их газообразные соединения, хромовый ангидрид, перманганат калия, хлораты и другие соединения.
При взаимодействии с металлами, которые в расплавленном состоянии проявляют очень высокую активность, в роли окислителей выступают вода, двуокись углерода и другие кислородсодержащие соединения, которые в обычной практике считаются инертными.
Однако только наличия смеси горючего и окислителя еще недостаточно для начала процесса горения. Необходим еще источник зажигания. Для того чтобы произошла химическая реакция, необходимо появление достаточного количества активных молекул, их обломков (радикалов) или свободных атомов (еще не успевших объединиться в молекулы), которые обладают избыточной энергией, равной энергии активации для данной системы или превышающей ее.
Появление активных атомов и молекул возможно при нагреве всей системы, при локальном контакте газов с нагретой поверхностью, при воздействии пламени, электрического разряда (искра или дуга), локального нагрева стенки сосуда в результате трения или при введении катализатора и т. п.
Источником воспламенения может быть также внезапное адиабатическое (без теплообмена с окружающей средой) сжатие газовой системы или воздействие на нее ударной волны.
В настоящее время установлено, что механизм возникновения и развития реальных пожаров и взрывов характеризуется комбинированным цепочечно-тепловым процессом. Начавшись цепным путем, реакция окисления за счет ее экзотермичности продолжает ускоряться за счет тепла. В конечном счете критические (предельные) условия возникновения и развития горения будут определяться тепловыделением и условиями тепломассообмена реагирующей системы с окружающей средой.
По скорости распространения пламени горение подразделяется на:
· нормальное (дефлаграционное), при котором пламя распространяется со скоростью до нескольких десятков метров в секунду;
· взрывное — при скорости распространения пламени до нескольких сотен метров в секунду;
· детонационное — при распространении пламени со скоростью до нескольких тысяч метров в секунду.
В процессе реакции горения сгорание веществ может быть полным и неполным. В условиях пожара полного сгорания веществ в воздухе чаще всего не происходит, о чем свидетельствует наличие дыма — дисперсной системы из продуктов горения и воздуха, содержащей твердые и жидкие частицы.
Все реакции горения веществ относятся к экзотермическим, т. е. сопровождающимся выделением теплоты. Из-за выделения теплоты реакции горение, возникнув в одной зоне вещества, распространяется на всю массу реагирующих веществ.
В зависимости от агрегатного состояния реагируемых веществ горение бывает гомогенным (однородным), при котором исходные вещества (горючее и окислитель) находятся в газо- или парообразном состоянии, и гетерогенным (неоднородным), при котором одно из веществ (обычно горючее) находится в твердом или жидком состоянии, а другое (обычно окислитель) — в газообразном.
Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов: вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, взрыв и детонация. Кроме того, существуют и особые виды горения: тление и холоднопламенное горение.
Вспышка — процесс мгновенного сгорания паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вызванный непосредственным воздействием источника воспламенения.
Возгорание — явление возникновения горения под действием источника зажигания.
Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной.
Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания.
Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.
В производственных условиях могут самовозгораться древесные опилки, промасленная ветошь. Самовоспламеняться может бензин, керосин.
Взрыв — быстрое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.
При детонации передача энергии от слоя к слою смеси осуществляется не за счет теплопроводности, а распространением ударной волны. Давление в детонационной волне значительно выше давления при взрыве, что приводит к сильным разрушениям.
Тление — беспламенное горение твердого вещества, поверхность которого раскалена и излучает свет и тепло. Тление сопровождается термическим разложением горючего вещества и обильным выделением горючих газов и парообразных продуктов, которые свободно рассеиваются в атмосфере. Тление твердого вещества возможно при недостатке кислорода в зоне горения, при недостатке выделяющейся в зоне теплоты, при очень быстром отводе выделяющейся теплоты из зоны возникшей реакции горения.
Холоднопламенное горение — основная форма нетеплового самоускоряющегося режима реакции, которая при этом остается незавершенной, т. к. не вся химическая энергия реагирующей смеси расходуется на разогрев продуктов реакции.
Для оценки пожаро- и взрывоопасности производств необходимо знать показатели пожаро- и взрывоопасности веществ, используемых в производственных процессах.
Горючие вещества, применяемые в производстве, подразделяются на:
· газообразные — вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50 °С равно или выше 300 кПа;
· жидкие — вещества с температурой плавления не более 50 °С;
· твердые — вещества с температурой плавления, превышающей 50 °С;
· пыли — размельченные твердые вещества с размером частиц менее 850 мкм.
Горючесть — это способность вещества или материала к горению под воздействием источника зажигания.
По горючести (возгораемости) материалы подразделяются на три группы:
· негорючие (несгораемые),
· трудногорючие (трудносгораемые);
· горючие (сгораемые).
Принято считать негорючими такие материалы, которые не горят, не тлеют и не обугливаются под воздействием открытого пламени или высокой температуры.
Трудногорючие материалы — материалы, которые загораются и горят только при воздействии на них открытого огня.
Горючие материалы и вещества подразделяются на:
· легковоспламеняющиеся вещества и материалы, которые способны воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т. п.);
· вещества средней воспламеняемости, которые воспламеняются от длительного воздействия источника зажигания с низкой температурой;
· трудновоспламеняющиеся вещества, которые способны воспламеняться только под действием мощного источника зажигания
К легковоспламенеющимся веществам (ЛВЖ) относятся прежде всего горючие жидкости. ЛВЖ — горючие жидкости с температурой вспышки в закрытом тигле не выше 61 °С или в открытом тигле не выше 66 °С (бензин, ацетон, бензол, толуол, некоторые спирты, эфиры и т. п.)
К горючим жидкостям (ГЖ) относятся такие, которые способны самостоятельно гореть после удаления источника зажигания, но имеют температуру вспышки выше 61 °С в закрытом тигле.
Температура вспышки — наименьшая температура горючего вещества, при которой образовавшиеся над его поверхностью пары и газы способны вспыхивать в воздухе от источника зажигания, однако скорость образования паров или газов еще недостаточна для поддержания устойчивого горения. Температура вспышки является одним из критериев, по которому устанавливают безопасные способы хранения, транспортирования и применения веществ. Ацетон имеет температуру вспышки -180С, разные сорта бензина от -39 до -17 0С, керосин +40 °С, масло трансформаторное + 147 °С.
Основными показателями взрыво- и пожароопасности твердых и жидких веществ являются температура воспламенения и самовоспламенения.
Температура воспламенения — наименьшая температура вещества, при которой вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания начинается устойчивое горение. Температуру воспламенения применяют для установления группы горючести веществ, оценки пожарной опасности оборудования и технологических процессов, связанных с переработкой горючих веществ. Для ЛВЖ температура воспламенения отличается от температуры вспышки на 1...5 °С, для других веществ — на 20 °С и более.
Температура самовоспламенения — самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции, заканчивающейся пламенным горением. Температура самовоспламенения газов и паров горючих жидкостей находится в пределах 250...700 "С; для твердых веществ (цинка, магния, алюминия) — 450...800 °С; дерева, каменного угля, торфа — 250...450 °С.
В зависимости от температуры самовоспламенения различают: горючие вещества, имеющие температуру самовоспламенения выше температуры окружающей среды;
· горючие вещества, имеющие температуру самовоспламенения равную температуре окружающей среды;
· горючие вещества, имеющие температуру самовоспламенения ниже температуры окружающей среды.
Последние вещества называют самовозгорающимися, т. к. они могут загораться без внесения тепла извне и представляют собой большую опасность.
Самовозгорающиеся вещества подразделяют на три группы:
· вещества, способные самовозгораться от воздействия воздуха (например, растительные масла и животные жиры, бурый и каменный уголь, торф, обтирочные концы, древесные опилки и т. п.); Существует ряд веществ (газообразных, жидких или в твердом состоянии), которые способны самовоспламеняться при контакте с воздухом без предварительного нагрева (при комнатной температуре). Такие вещества называют пирофорными. К ним относятся: белый фосфор, гидриды и металлоорганические соединения легких металлов и др.
·
· вещества, подверженные самовозгоранию при действии на них воды (например, карбид кальция, карбиды щелочных металлов, металлические калий и натрий и др.); Существует также достаточно большая группа веществ, при контакте которых с водой или водяными парами, находящимися в воздухе, начинается химическая реакция, протекающая с выделением большого количества теплоты. Под действием выделяющейся теплоты происходит самовоспламенение горючих продуктов реакции и исходных веществ. К этой группе веществ относятся щелочные и щелочноземельные металлы (литий, натрий, калий, кальций, стронций, уран и др.), гидриды, карбиды, фосфиды указанных металлов, низкомолекулярные металлоорганические соединения (триэтила-люминий, триизобутилалюминий, триэтилбор) и др.
·
· вещества, самовозгорающиеся в результате смешения друг с другом; в эту группу входят различные газообразные, жидкие и твердые окислители (галлоиды — хлор, бром; ацетилен, водород, метан и этилен в смеси с хлором самовозгораются).
Основными показателями пожаро- и взрывоопасности горючих газов и паров являются нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения (взрываемости), выраженные в объемной доле компонента в смеси (%) или в массовых концентрациях (мг/м3).
Минимальная концентрация горючих газов, паров, пыли в воздухе, при которой они способны загораться и распространять пламя, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (НПВ). Максимальная концентрация горючих газов, паров и пыли, при которой еще возможно распространение пламени, называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВПВ). Область смесей горючих газов и паров с воздухом, лежащих между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения, называется областью воспламенения.
Нижнему и верхнему концентрационным пределам соответствуют нижний и верхний температурные пределы. Температурные пределы воспламенения паров — это такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в окислительной среде концентрации, равные соответственно НПВ и ВПВ, и называются соответственно нижним (НТПВ) и верхним (ВТПВ) температурными пределами воспламенения.
При определении степени опасности пыли, находящейся во взвешенном состоянии в производственном помещении, необходимо учитывать в первую очередь ее способность образовывать с воздухом (кислородом) взрывоопасные смеси, а также чувствительность таких смесей к различным источникам воспламенения. Пыль, осевшая на поверхностях различных предметов, может взрываться только после ее перехода во взвешенное состояние (аэрозоль). Для начала ее горения или взрыва необходим источник зажигания. В осевшем состоянии степень пожаровзрывопасности пыли определяется возможностью ее самовозгорания.
Основные причины и источники пожаров и взрывов
Основные причины пожаров на предприятиях: нарушение технологического режима — 33 %; неисправность электроустановок —16 %; самовозгорание промасленной ветоши и других материалов, склонных к самовозгоранию, — 10 %.
Открытое пламя и искры наиболее часто являются источником зажигания различной горячей среды (открытое пламя и искры возникают при сварке, резке металлов, заточке инструмента, зачистке швов и целом ряде других технологических процессов). Наиболее частой причиной пожара из-за неисправности электроустановок являются: короткие замыкания, особенно с образованием электрической дуги; перегрузка электрической сети в результате подключения потребителей (машин, оборудования и т. д.) повышенной мощности, на которую не рассчитана электрическая сеть. Причиной пожара могут быть разряды статического электричества, а также разряды молнии.
Опасные факторы пожара. Независимо от причин пожар характеризуется рядом опасных факторов, воздействующих на людей и материальные ценности в условиях производства.
Опасный фактор пожара (ОФП) — фактор пожара, воздействие которого приводит к травме, отравлению или гибели человека, а также к материальному ущербу. К ОФП относятся следующие:
· открытое пламя и искры;
· повышенная температура окружающей среды;
· токсичные продукты горения;
· дым;
· пониженная концентрация кислорода;
· последствия разрушения и повреждения объекта;
· опасные факторы, проявляющиеся в результате взрыва (ударная волна, пламя, обрушение конструкций и разлет осколков, образование вредных веществ с концентрацией в воздухе существенно выше ПДК).
К вторичным ОФП можно отнести:
· осколки, части разрушающихся механизмов, конструкций зданий и т. д.;
· токсические вещества и материалы из разрушенных механизмов и агрегатов;
· электрическое напряжение, вследствие потери изоляции токоведущими частями механизмов;
· опасные факторы взрыва, возникающие в результате пожара;
· огнетушащие вещества.
Пламя чаще всего поражает открытые части тела. Очень опасны ожоги, получаемые от горящей одежды, которую трудно потушить и сбросить. Особенно легко воспламеняется одежда из синтетических тканей. Температурный порог жизнеспособности тканей человека составляет около 45 °С.
Повышенная температура окружающей среды, поверхностей предметов нарушает тепловой режим тела человека, вызывает перегрев, ухудшение самочувствия из-за интенсивного выведения необходимых организму солей, нарушения ритма дыхания, деятельности сердца и сосудов. Необходимо избегать длительного облучения инфракрасными лучами интенсивностью около 540 Вт/м2 и кратковременного облучения с интенсивностью 1050 Вт/м2. Температура тела человека в зоне облучения при пожаре не должна превышать 39...40 °С, т. к. при этом возникает опасность теплового удара, а при 60...70 °С в организме человека происходят необратимые изменения, которые могут привести к смерти. При этом следует иметь в виду, что предельно допустимая повышенная температура окружающей среды также нормируется и составляет для человека 70 °C.
Динамика нарастания температуры продуктов горения при пожаре в помещении на выходе из него на высоте роста человека имеет следующие примерные параметры:
· в течение первой минуты – примерно до 160 °C;
· в течение второй минуты – примерно до 350 °C.
Следовательно, предельная температура продуктов горения достигается в помещении примерно за 2 минуты, что необходимо учитывать при эвакуации людей.
Токсичные продукты горения. Состав продуктов сгорания зависит от состава горящего вещества и условий, при которых происходит его горение. При горении прежде всего выделяется большое количество оксида углерода (СО), углекислого газа (С02), оксидов азота (NOx), которые заполняют объем помещения, в котором происходит горение, и создают опасные для жизни человека концентрации. Концентрация СО может достигать 10 % от объема помещения, в то время как при 1 % объемной концентрации человек теряет сознание, а затем может наступить смерть. Концентрация углекислого газа С02 более 3...4 % становится опасной при вдыхании воздуха с такой концентрацией более получаса. Концентрация углекислого газа в 8... 10 % вызывает быструю потерю сознания и смертельный исход. При оценке первичных ОФП необходимо помнить, что основными из них являются токсические продукты горения и термического разложения, представляющие собой раскаленную до 300–400 °C смесь высокотоксичных отравляющих веществ, парализующих органы дыхания человека за один-два вдоха. Статистика гибели людей на пожарах за 2003 г. показывает, что 77,7 % погибших были поражены именно этим ОФП, а в среднем за предыдущие годы этот показатель держится на уровне 80 %.
Однако в продуктах сгорания могут быть и значительно более токсичные вещества, например цианистый водород (HCN) и др. Наиболее опасны продукты сгорания различных синтетических веществ, пластмасс.
Дым, выделяющийся при пожаре, очень разнообразен по своему составу и свойствам. По цвету он может быть белым, серым, черным и представляет собой аэрозоль, состоящую из мельчайших твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в продуктах сгорания. В дыме содержатся раздражающие и токсичные вещества, дым снижает видимость, в результате чего теряется ориентация человека в помещении и усложняются условия эвакуации.
Недостаток кислорода. Нормальное содержание кислорода в атмосферном воздухе примерно 21 % по объему. При пожаре атмосферный кислород расходуется как окислитель в окислительной реакции горения, и его концентрация в помещении резко снижается. Человек теряет сознание при концентрации кислорода примерно 18 % по объему, возникает удушье. Практика показывает, что наибольшее количество людей погибает при пожарах не от прямого воздействия огня, а от удушья, связанного с недостатком кислорода, и от отравления токсичными продуктами сгорания. Один из важнейших ОФП – уменьшение содержания кислорода в газовой среде горящего помещения. В чистом воздухе его содержание достигает 27 %. В горящем здании за счет интенсивно протекающего горения содержание кислорода значительно снижается; его опасное значение находится в пределах 17 %. Это необходимо учитывать при использовании фильтрующих средств защиты органов дыхания, предназначенных для применения дежурными службами и другими лицами. То есть существует вероятность того, что человек на пожаре, защищенный, например, самоспасателем, может погибнуть не от токсических продуктов горения, а от недостатка кислорода в газовой среде горящего здания.
Обрушение и разрушение несущих конструкций здания. При воздействии высоких температур, возникающих в очаге пожара, несущие конструкции здания теряют свою механическую прочность, и происходит их обрушение. Это приводит к гибели людей и большим материальным потерям.
Взрыв приводит к быстрому обрушению конструкции. Человек может быть также поражен ударной волной, разлетающимися осколками и элементами конструкций.
Таким образом, пожары наносят большой материальный и моральный ущерб, ведут к разрушению промышленных зданий, гибели людей.