ОСНОВИ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ

11.1. Сутність процесу горіння

Горінням називають фізико-хімічний процес взаємодії горю­чої речовини з окислювачем (киснем повітря), у результаті якого виділяється тепло й випромінюється світло. Це визначення про­цесу горіння характеризує звичайні умови будівництва.

З хімії відомо, що в особливих умовах окислювачем у процесі горіння може служити не тільки кисень, але й азотна кислота, хлор та інші речовини. Крім того, деякі речовини (наприклад, стиснутий ацетилен) можуть вибухати (швидке горіння) без кис­ню з утворенням тепла й світла. При цьому відбувається реакція розкладання, а не з'єднання.

У загальному випадку процес горіння можна охарактеризува­ти так: горіння — це хімічна реакція, що швидко протікає, або окислювання, яке супроводжується виділенням тепла й випро­мінюванням світла.

Згідно з теорією окислювання, у реакції з горючою речовиною беруть участь лише ті молекули кисню, запас енергії яких дося­гає енергії активації або перевищує її. Під енергією активації ро­зуміють той мінімум енергії, яким повинні володіти частинки, що взаємодіють, щоб між ними відбулася реакція.

Молекули кисню, що володіють енергією активації, набувають активного стану, тобто такого, при якому один із двох зв'язків у молекулі 0₂ розірваний:

о = о ->- о- о

Наявність вільних зв'язків в атомах кисню забезпечує групі -О-О- високу реакційну здатність. Група -0-0-, вступивши в реак­цію, утворить перекис R-0-O-R або гідроперекис R-O-O-H. Такі з'єднання нестійкі — при нагріванні, ударі або терті вони розпа­даються. У результаті розпаду утворяться атомарний кисень,

Основи пожежної безпеки

вільні радикали й атоми, що сприяють подальшому окислюван­ню нових порцій горючої речовини.

Перекісна теорія розвинулась і доповнилася в теорії ланцюго­вих реакцій. Згідно з цією теорією, при впливі на молекули речо­вини надлишкової кількості енергії (тепла, променистої енергії, електричного розряду) вони поглинають деяку кількість тепла й розпадаються на атоми й радикали (Н, СІ, О, ОН, СН₂, С₂Н₅ й ін.). Проміжні продукти, які виникли, маючи підвищену хімічну ак­тивність, у вторинних реакціях відновлюються й можуть продов­жувати первинну реакцію, створюючи ланцюгову реакцію.

При експлуатації будівельних машин кисень повітря може з'єднуватися з горючою речовиною (наприклад, спалювання па­лива в топці асфальтозмішувача). Горіння можливе й за відсут­ності повітряного середовища, якщо кисень входить до складу окислювачів (наприклад, горіння порошку терміту при зварюваль­ному процесі).

Процес горіння може виникнути і за наявності імпульсу, що викликає запалювання: відкриті джерела, джерела, що світять­ся, полум'я, розпечена поверхня, промениста енергія, іскра, тер­тя, удар, адіабатичний тиск, екзотермічна реакція.

Деякі джерела запалення мають таку температуру полум'я, тління й нагрівання, °С: полум'я сірника — 750—860, тління цигарки — 700—750, полум'я деревної скіпи — 850—1000.

На процес горіння сильно впливає тривалість імпульсу запа­лення. Так, відомо, що деревна дошка загорається від полум'я з температурою 1200 °С, що діє протягом 15—20 с Але цей же матеріал не запалюється від палаючого терміту з температурою 3000 °С, а в дошці лише пропалюється отвір, якщо контакт із тер­мітом триває 2—3 с

За нормального атмосферного тиску речовини в повітряному середовищі можуть горіти при вмісті кисню більше за 14 %. За недостатньої кількості його в повітрі відбувається неповне горін­ня. Таким чином, процес горіння може виникнути й протікати за наявності трьох чинників: пальної речовини, окислювача й дже­рела запалення. Горюча речовина й кисень складають горючу си­стему.

Процес горіння може бути дифузійним і кінетичним. При ди­фузійному горінні горюча речовина й повітря не перемішані один ³ одним. У цьому випадку повітря стикається з поверхнею горю­чої речовини (як твердої, так і рідкої) і надходить до неї через

Розділ 11

продукти горіння. Швидкість горіння буде залежати від швид­кості дифузії кисню повітря в зоні реакції. Дифузія — процес, т₀ повільно протікає.

При кінетичному горінні горюча речовина й повітря перемішані між собою й представляють найчастіше суміш газів або пилу з по­вітрям. Швидкість горіння в цьому випадку не залежить від ди­фузії повітря, а визначається швидкістю хімічної реакції й про­являється як вибух або детонація.

Кількість повітря V°_n, необхідного для горіння горючої речо­вини, залежить від її хімічного складу. Наприклад, обсяг повітря, потрібний для горіння 1 кг речовини, становить, м³: для дереви­ни — 4,18, бензину —10,25, пропану — 23,8. У дійсності в умо­вах пожежі повітря V_n витрачається в 2—10 разів більше проти теоретичної потреби.

Відношення V_n : V°_n = а називають коефіцієнтом надлишку повітря.

У результаті горіння утворюються продукти згорання в газо­подібному, рідкому й твердому стані. Дим містить частинки вуг­лецю — сажу.

Для горючих речовин характерне виділення тепла при їх зго­рянні (з одиниці маси або обсягу), яке називається теплотою зго­ряння. Теплоту згоряння поділяють на вищу й нижчу. Нижча теплота згоряння відрізняється від вищої величиною теплоти ви­паровування вогкості, яка присутня в продуктах згоряння. Теп­лота, що виділяється із зони горіння, нагріває продукти згорян­ня; температура, яка досягається ними при цьому, називається температурою горіння.

Температуру горіння розрізняють: калориметричну, коли про­дукти згоряння отримують температуру від всієї виділеної тепло­ти (допускається, що втрати теплоти відсутні); теоретичну, коли враховують втрати теплоти на дисоціацію продуктів згоряння при температурі горіння більше 1700°; дійсну, тобто температуру по­жежі з урахуванням втрат теплоти на нагрівання, випромінюван­ня тощо.

основи пожежної безпеки

11.2. Самозапалювання, самозаймання й запалення горючих речовин

Процес нагрівання горючої суміші в посудині можна предста­вити графічно (рис. 11.1,а), коли по осі абсцис відкладають тем­ператури стінки посудини й горючої суміші t, а по осі ординат — швидкості тепловиділення q₁ і тепловіддачі q₂ посудини. При f , коли температура недостатня, кисень повітря в реакцію з паль­ним не вступає через відсутність активних молекул. При нагрі­ванні суміші до температури t₁ і вище в ньому з'являються актив­ні молекули й починається реакція окислювання з виділенням теплоти, від якої горюча система також нагрівається.

Рис. 11.1. Графіки зміни параметрів:a — швидкості тепловиділен­ня q_} і тепловіддачі q₂ від температури; б — температури від часу

Швидкість тепловиділення характеризується кривою, яка опи­сується рівнянням:

(11.1)

Де Q — теплота згоряння горючої системи, ккал; V— обсяг горючої суміші, м³; Kg— передекспонціальний множник; С — концентрація пального в системі, кг/м³; п — сумарний порядок реакції; Е — енергія активації; R — газова по­стійна; £ — температура горючої суміші та сітки посудини, °С; q_x — швидкість Тепловиділення, ккал/год.

З підвищенням температури горючої системи температура стінок посудини й навколишнього середовища також підвищуєть­ся, і при температурі, наприклад, t₂ починається тепловіддача У навколишнє середовище. Швидкість тепловіддачі можна вира­зити графічно прямою лінією q₂, рівняння якої має вигляд:

q₂= aA(t-t_c), (11.2)

де а — коефіцієнт тепловіддачі від горючої системи до стінок посудини; Л -~ поверхня стінок посудини; t і t_c — температура горючої суміші й стінок посу. дини; q₂ — швидкість тепловідводу, ккал/год.

Лінія тепловіддачі перетинається із кривою тепловиділення в точці А. До цієї точки дотримувалася умова q_x > q₂, тобто відбу­валося самонагрівання системи. У точці А, коли q₁ = q₂, окислен­ня буде тривати й температура стінки посудини підвищиться до

При подальшому нагріванні посудини, наприклад, до темпера­тури t₃, температура стінки посудини складе t_c3 лінія тепловіддачі не перетнеться із кривою тепловиділення, горюча система буде самонагріватися й при q_l > q₂ почнеться самозапалювання.

При температурі t , проміжній між t₁ і t₃ коли лінія тепло­віддачі буде дотикатися до кривої тепловиділення в точці В, на­ступає теплова рівновага. Але як тільки наступить стан, коли q₁> q₂, почнеться самонагрівання речовини, що призводить до його самозапалювання.

Отже, температурою самозапалювання горючої речовини по­трібно вважати найменшу температуру горючої речовини, при якій наступає самонагрівання й початок горіння.

Залежність температури нагрівання речовини від часу показа­на на рис. 11.1,6. Точкою t_H позначений початок нагрівання го­рючої системи. На відрізку t_H—t_Q теплота витрачається на плав­лення, розкладання й випаровування горючої речовини. У точці t₀ починається окислювання, і за рахунок теплоти реакції окис­лювання температура речовини зростає швидше. Коли теплови­ділення з горючої речовини перевищить тепловіддачу в навко­лишнє середовище, ця речовина самозапалиться (точка t ). Полу­м'я з'явиться в точці t_n. Точкою t_г.позначена температура горіння.

Температура самозапалювання деяких речовин і матеріалів та­ка, °С: бензину — 255—300, деревини соснової — 399, лінолеуму ґумового — 410, плит з волокнистої деревини — 345, повсті буді­вельної — 370 °С.

Виходячи з температур самозапалювання, горючі речовини по­діляють на два види:

1 — з температурою самозапалювання вище температури нав­колишнього середовища, які самозаймаються лише при нагріванні їх вище температури навколишнього середовища;

ргнови пожежної безпеки____________________________________ 357

2 — температура запалення яких нижча за температуру навко­лишнього середовища, вони запалюються без нагрівання, тому що навколишнім середовищем бувають нагріті до температури само­запалювання; їх називають самозаймистими речовинами, а появу горіння — самозайманням.

Своєю чергою, речовини, що самозаймаються, поділяють на три групи: самозаймисті — від впливу на них повітря (наприклад, торф, кам'яне вугілля, промаслені обтиральні матеріали й спец­одяг); ті, які викликають горіння при контакті з водою (карбід кальцію, негашене вапно); самозаймисті — в результаті змішу­вання один з одним (мінеральне масло в середовищі стиснутого кисню, стружки й тирса деревини, змоченої азотною кислотою).

Горіння, що виникло в результаті запалення лише частини за­гальної кількості горючої речовини, називається запаленням. Та­ким чином, в основі процесу горіння лежить самозапалювання; самозаймання й запалення є окремими явищами самозапалю­вання.

При горінні твердих речовин вони плавляться, утворюючи рідкий шар, або розкладаються, перетворюючись у гази та пари. Тверді речовини горять самі й поширюють горіння, яке характе­ризується масовою швидкістю вигоряння на одиницю площі, на­приклад, для виробів з деревини вона становить 0,84 кг/(м² х хв).

Швидкість вигорання рідких горючих речовин поділяють на: масову швидкість вигорання (маса рідини, що вигоріла з одиниці поверхні за одиницю часу) і лінійну (висота шару рідини, що виго­ріла за одиницю часу). Наприклад, масова швидкість вигорання бензину становить 2,7—3,2 кг/(м² х хв), лінійна — 3,8—4,5 мм/хв.

11.3. Горіння та вибухи газо-, паро-і пилоповітряних сумішей

Суміші газів або парів з повітрям можуть горіти лише за пев­них співвідношень. Мінімальну й максимальну концентрації го-РЮчих газів або парів у повітрі, при яких вони можуть запалюва­вся, називають нижніми й верхніми концентраційними межами запалення. Концентрації сумішей, що перебувають у цих межах ¹ здатні горіти,-називаються вибухонебезпечними.

Розділ 11

горінні сумішей в умовах замкнутих ємностей виникає підвищений тиск, що призводить до вибуху. Так, при випарі 0,25 кг бензину в повітрі утвориться газова суміш, вибух якої роз­виває потужність, що досягає 12 тис. кВт. Цим пояснюється, щ₀ вибухи викликають руйнування, пожежі й важкі форми травма­тизму (струс мозку, переломи кісток, поранення).

Суміші, концентрації яких перебувають нижче нижньої й вище верхньої меж запалення, у замкнутих посудинах не горять і тому є безпечними.

Концентраційні межі запалення парів і газів деяких речовин такі, % : для пари ацетилену: нижня межа — 2,5, верхня — 80,8; для бутану: нижня —1,36, верхня — 8,41, для бензину: нижня — 0,76, верхня — 5,4.

Полум'я по вибуховій суміші у відкритій трубі поширюється зі швидкістю всього декількох метрів у секунду, тоді як у закри­тій трубі — зі швидкістю 2000—3000 м/с. За такої швидкості згоряння суміші називається детонацією.

При вибуху більшості газів утворюється температура 1500— 2000 °С і тиск до 1,1 МПа (11 атм).

Суміші парів з повітрям із вибухонебезпеки аналогічні сумі­шам газів з повітрям. Ураховуючи, що концентрація насичених парів рідини залежить від температури, ці температури прийня­то називати нижніми й верхніми температурними межами запа­лення.

Нижню температурну межу запалення рідини називають та­кож температурою спалаху. Цей критерій прийнятий для класи­фікації рідини за ступенем їх пожежної небезпеки. Так, рідини з температурою спалаху до 45 °С належать до легкозаймистих (бен­зин, гас), а більше 45 °С — до горючих рідин (дизельне паливо, мастила).

Температурні межі запалення деяких рідин такі: для бензину: нижня (температура спалаху) — 14 °С, верхня +12 °С, у гасу ос­вітлювального відповідно —35° і +75 °С.

Суміші пилу з повітрям, як і газові суміші, горять із великою швидкістю й вибухають у замкнутих посудинах.

У повітрі пил перебуває в стані аерозолю (зваженого в повітрі) або аерогелю (пил, що осів на стелі й поверхнях). Температура са­мозапалювання вугільного пилу в стані аерогелю — 260 °С, а у ста­ні аерозолю — 969 °С.

основи пожежної безпеки_____________________________________ 359

Небезпека пилу характеризується нижньою концентраційною межею їх запалення. Пили, в яких ця межа становить 65 г/м³ і мен­ше, належать до вибухонебезпечних, а в яких вона вище 65 г/м³ — до пожежонебезпечних.

Категорії вибухонебезпечних сумішей газів і парів з повітрям, _а також групи вибухонебезпечних сумішей газів і парів з повітрям за температурою самозапалювання викладені в Держстандарті 12.1-011-78 "Суміші вибухонебезпечні", "Класифікація та мето­ди досліджень (СТ СЭВ 2775-90)".

11.4. Вогнестійкість будівельних конструкцій і матеріалів

Пожежна безпека будівель і споруд значною мірою залежить від правильного вибору займистості й вогнестійкості будівельних конструкцій.

Під займистістю розуміють здатність матеріалу, який піддаєть­ся місцевому впливу високотемпературного джерела підпалюван­ня, самостійно горіти, жевріти за наявності цього джерела або після його видалення.

Відповідно до ДБН В.1.1-7.2002 "Протипожежні норми проек­тування будівель і споруд" й ОСТу 78.2-73 "Горіння й пожежна небезпека речовин. Термінологія", всі будівельні матеріали й кон­струкції із займистості поділяють на дві групи: негорючі та го­рючі.

Негорючими називаються матеріали, які під впливом вогню або високої температури не запалюються, не жевріють і не обвуг­люються. До них належать усі природні й штучні неорганічні ма­теріали, гіпсові й гіпсоволокнисті плити при вмісті органічної ма­си менше 8 %, мінераловатяні плити при вмісті синтетичного, бітумного або крохмального зв'язування менше 6 % за масою, а також метали, які застосовуються в будівництві. Конструкції, виготовлені з негорючих матеріалів, називаються негорючими.

Конструкції, які виконані із важкогорючих матеріалів, і кон­струкції, що виконані з горючих матеріалів, але захищені від за­горяння штукатуркою або облицюванням з негорючих матеріалів, Називаються важкогорючими.

Розділ j т

Горючиминазиваються матеріали, які під впливом вогню чи високої температури запалюються або жевріють і продовжують горіти або жевріти після видалення джерела підпалювання. Д₀ них належать усі органічні матеріали, що не відповідають вимо­гам, які висуваються до негорючих і важкогорючих матеріалів (наприклад, деревина, торф, бітум, гудрон, повсть, папір, кар­тон, комишит, соломіт, пінопласт ПС-4 і ПСБ-С, декоративно-бу­дівельні пластики й ін.).

Горючі конструкції в свою чергу поділяються на чотири групи Г1, Г2, ГЗ, Г4.

Конструкції, які виконані з горючих матеріалів, не захище­них від впливу вогню або високої температури, називають горю­чими.

Іншою важливою характеристикою будівельних конструкцій є вогнестійкість, під якою розуміють здатність зберігати свої не­сучі якості та захисні функції в умовах пожежі. Тривалість (у хви­линах) опору будівельної конструкції впливу високої температу­ри при пожежі до вичерпання нею несучої здатності прийнято називати межею вогнестійкості і нормується вона за граничними станами конструкції вогнестійкості. Межа вогнестійкості харак­теризується появою однієї з таких ознак:

— втрата цілісності (Е) — утворення у конструкції, що обго­роджує (стіна, перегородка, перекриття, покриття), на­скрізних отворів або наскрізних тріщин, через які можуть проникати полум'я або продукти горіння;

— теплоізолювальна здатність і підвищення температури на по­верхні, яка не обігрівається, і що обгороджує конструкції в середньому більше ніж на 140 °С або в будь-якій точці цієї поверхні більше ніж на 180 °С (порівняно з початковою тем­пературою) або більше ніж на 220 °С незалежно від початко­вої температури конструкції;

— втрата конструкцією несучої здатності (R) або стійкості (об­валення).

Відповідно до ДСТУ ВВІ. 1-4-98 допускається визначення межі вогнестійкості розрахунковими методами.

Межі вогнестійкості будівельних конструкцій визначаються як експериментально, так і розрахунковими методами (у тому числі на ЕОМ). їх прийнято називати фактичними межами вогнестій­кості П . Встановлені нормами межі вогнестійкості для основних

основи пожежної безпеки______________________________ _____ 361

частин будівель і споруд називаються необхідними межами вог­нестійкості та встановлюються відповідно до чисельного ряду (15, ЗО, 45, 60, 90, 120 та 180 хв, принятого у державах, що входять по Європейського Співтовариства.

Умови пожежної безпеки будівельних конструкцій формулю­ються в такий спосіб: фактична група займистості повинна бути не вищою за необхідну, а фактична межа вогнестійкості — не нижчою за необхідну.

Дотримання вищенаведених умов безпеки при проектуванні й будівництві будівель і споруд є однією з найважливіших перед­умов забезпечення їх збереження при пожежі певної тривалості.

Поиск по сайту: