Практическое использование параметров, характеризующих ПВО веществ

Практическое использование параметров, характе­ризующих пожаровзрывоопасные свойства веществ, позво­ляет разрабатывать мероприятия, исключающие условия обра зования взрывоопасных газо-, паро- или пылевоздушных смесей.

Так, по условиям безопасности рабочая температура горючей жидкости должна соответствовать следующим условиям:

НТПРП > Т_р > ВТПРП.

Условия технологического процесса с параметрами:

j_НКПРП £ j_раб £ j_ВКПРП

также предполагают разработку инженерных решений, исключающих появление источников зажигания и их возможный контакт с рабочей средой.

По температуре самовоспламенения устанавливаются группы взрывоопасных смесей по ПУЭ (правила устройств электроустановок) с целью выбора уровня взрывозащиты электрооборудования. Иными словами, проводится разработка мероприятий, исключающих тепловые проявления электрической энергии как первопричины воспламенения горючих смесей.

Знание показателей ПВО веществ и материалов необходимо не только для разработки мероприятий по предотвращению возникновения взрывов и пожаров, оно также необходимо для разработки мероприятий, обеспечивающих локализацию и успешную ликвидацию чрезвычайных ситуаций связанных с воспламенением и горением газо-, паро- или пылевоздушных смесей, а также твердых горючих веществ.

6.4. Теоретические основы предотвра­щения пожаров и прекращения горе­ния на них

ГОСТом 12.1.004-91 определено, что пожарная безопасность объекта должна обеспечиваться системами предотвращения пожара и противо­пожарной защиты, в том числе организационно-техническими мероприятия­ми. Предотвращение пожара должно достигаться предотвращением образования горючей среды (горючего вещества и окислителя) и/или предотвращением образования в ней источника зажигания.

Общеизвестно, что предотвращение пожаров и прекращение горения на них принципиально достигается устранением одно­го или нескольких условий горения (элементов «треугольника горения»): горючего вещества, окислителя (чаще всего кислород воздуха) или ИЗ (при развившемся го­рении им выступает пламя).

В качестве примеров предотвращения пожарапутем устранения одного или нескольких условий горения можно привести следующие случаи: замена горючих жидкостей на негорючие моющие средства (устраня­ется горючее вещество); устройство молниезащиты (устраняется источник зажигания) и т. д.

Кроме предотвращения пожара необходимо предпринимать меры по организа­ции противопожарной защиты, которая достигается применением средств пожаротушения, автоматических установок пожарной сигнализации и пожаротушения, огнезащитных составов, средств противодымной защиты и т. д.

Под прекращением горения понимают создание таких физико-химических условий, при которых горение невозможно ни в пламенной, ни в беспламенной форме.

В качестве примеров прекращения горения путем устранения одного или нескольких условий горения можно привести следующие случаи: перекрытие вентиля при пожаре газопровода (из зоны горения устра­няется горючее вещество); закрытие кошмой горловины горящей цистерны с топливом (опять же из зоны горения устраняется горючее вещество); срыв пламени при пикировании горящего самолета (устраняется ис­точник зажигания – пламя).

Необходимо учитывать, что это – качественная картина. Чаще достаточно не полностью исключитьэлемент «треугольника горения», а, снижая его количественное значение, достичь предельного параметра процесса горения (или иначе предела горения).

Так, для того, чтобы прекратить пламенное горение, нет необходимости устранять весь кислород из воздуха. Пламенное горение прекращается при снижении концентрации кислорода в воздухе до 12-15 %. Следовательно, предельный параметр процесса горения по кислороду воздуха составляет 12-15 %. Другой пример. Если на мгновение открыть и тут же зажечь кран газовой плиты на кухне и после этого зажечь спичку, то горение в объеме помещения не возникнет несмотря на то, что все три условия возник­новения горения в помещении присутствуют: кислород воздуха, ИЗ (пламя спички) и горючий газ. В этом случае говорят, что не достигнут предельный параметр процесса горения по горючему веществу (в данном случае, концентрация горючего газа в воздухе должна быть не менее НКПРП, для метана – 5,28 %).

Следовательно, существует три условия возникновения (прекращения) го­рения, однако для предотвращения и прекращения горения достаточно устранить их не полностью, а снизить значе­ние одного из параметров горения до определенного уровня – предела горения.

6.5. Пределы горения и основанные на них способы предотвраще­ния и прекращения горения

Предельными параметрами процесса горения (пределами горения) назы­вают параметры, без достижения которых процесс горения возникнуть или существовать не может.

Пределов горения различают достаточно много. Большинство из них были рассмотрены ранее: КПРП, ТПРП, МЭЗ, МВСК и др.

Наиболее важными пределами горения являются те, которые доступны нашему влиянию. На использовании пределов горения основаны все способы предотвращения и прекращения горения.

Рассмотрим некоторые из пределов горения и их применение для предот­вращения и прекращения горения.

Концентрационные пределы процессов горения. К ним относят: КПРП; пределы по негорючим газам (флегматизаторам); пределы по кислороду – МВСК. Рассмотрим эти пределы горения подробнее.

Как было изучено ранее, концентрационные пределы распространения пламени – минимальное или максимальное содержание горючих паров в сме­си с окислителем, при котором пламя будет распространяться по смеси на любое расстояние от ИЗ. Пример для метана: НКПРП – 5 %,ВКПРП – 14 %. Вне этих пределов, т. е. при концентрации метана менее 5 % и более 14 %, горение при обычных условиях не происходит. С учетом этого, для предотвращения пожара контролируют с помощью газоанализаторов концентрацию горючих газов и паров и не допускают, чтобы она дос­тигла НКПРП. Таким образом, предотвращают пожары, например, при ремонте резервуаров горючих жидкостей с применением газоэлектро­сварки, а также в газовых котельных, помещениях заправки бытовых газовых баллонов и т. д.

Необходимо напомнить, что значения КПРП, как и других пределов горе­ния, не постоянны. Они изменяются в зависимости от мощности источника зажигания, состава воздуха и других факторов. Это необходимо учиты­вать при обеспечении пожарной безопасности.

К концентрационным пределам горения можно отнести и предельные концентрации негорючих газов (иначе – нейтральных газов, инертных разба­вителей, флегматизаторов). Для тушения пожаров с помощью автоматических установок пожаротушения, огнетушителей и предотвращения пожаров методом флегматизации используются следующие нейтральные газы: диоксид углерода СО₂, водяной пар, реже азот N₂, аргон Аг, гелий Не и др. Например, для предотвращения взрыва продуктов разложения самовозгоревшегося зерна на хлебокомбинатах применяют такой метод, как заполнение объема бункера одним из вышеперечисленных флегматизаторов. Причем их концентрация должна быть не ниже огнетушащей. Для разных горючих веществ огнетушащие концентрации нейтральных газов составляют: СО₂ – j_туш > 25-30 %; Н₂О(пар) – j_туш >30-35 %; N₂, He – j_туш > 35-40 %; Аг – j_туш >50- 55 %.

Отметим, что разная огнетушащая концентрация негорючих газов связана со свойствами, которые подробно будут рассмотрены далее.

К пределам горения относят также и МВСК (концентрация кислорода в горючей смеси, ниже которой воспламенение и горение смеси становится невозможным). Известно, что гомогенное горение прекращается при концеп­ции кислорода 12-15 %, гетерогенное горение – 5-6 % (напомним, что в атмосферном воздухе содержится порядка 21 % кислорода). Ранее такой способ прекращения горения широко применялся на судах: при возникновении горения задраивались все люки и иллюминаторы, и горение через некоторое время прекращалось. Отметим, что такой способ прекращения горения будет неэффективным для веществ, содержащих в своем составе кислород (лен, хлопок, сено, вага, и т. д.).

Предельные энергии зажигания (Е_min). Предельной энергией зажигания Е_min называют наименьшее значение энергии электрического разряда, способное воспламенить наиболее легко-воспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли.

Известно, что ИЗ имеют различную мощность. Так, мощность искры меньше мощности открытого пламени. ИЗ в виде искры легко воспламеняет горючий газ, но не в силах воспламенить в обычных условиях, например, древесину. Понятно, что, чем меньше мощность ИЗ, тем меньше пожарная опасность. Известна предельная величина мощности электрической искры, которая не может зажечь, в частности, углеводороды: Е_min = 0,1 МДж. Значение предельной энергии зажигания Е_min – непостоянно, оно изменяется при изменении давления, состава воздуха и др. Например, чем выше давление, тем меньшая мощность ИЗ необходима для того, чтобы зажечь вещество и наоборот.

Предельные значения энергии зажигания используются при предотвра­щении пожара, например, в ПВО помещениях, где содер­жатся горючие газы, путем замены обычной электросети, имеющей доста­точно высокую мощность возможного источника зажигания, на низковольт­ную.

Пределы по давлению. Известно, что скорость химической реакции горения прямо пропорцио­нальна количеству соударения молекул реагентов. При уменьшении давления количество соударений молекул уменьшается, следовательно, уменьшается и скорость химической реакции горения. Чем меньше давление, тем труднее протекает процесс горения, тем меньше пожарная опасность. При опреде­ленном значении давления горение становится невозможным. Так, предел по давлению для большинства органических веществ составляет порядка Р_пр = 1кПа ≈ 0,01 атм. В то же время, уже при давлении Р = 10 кПа (0,1 атм) большинство веществ становится трудновоспламеняющимися. При давлении Р = 50 кПа значительно снижается интенсивность горения всех горючих ве­ществ. С другой стороны, чем выше давление – тем выше пожарная опас­ность, процесс горения протекает легче. Повышение давления используется в различных технологических процессах для улучшения сгорания используе­мого топлива.

Предельные скорости распространения пламени. Еще в начале ХХ в. профессор Московского университета Михельсон доказал, что горение не может существовать не распространяясь. Встречаются такие минимальные скорости, медленнее которых пламя существовать не может. Для углеводородных газовминимально возможная скорость пламени – V^пp_nл = 0,02 - 0,04 м/с. Для сравнения напомним, что обычная скорость пламени по газовоздушным смесям V_пл = 0,4-100 м/с, скорость турбулент­ного пламени – 300-400 м/с; скорость детонационного горения – до 2-3 км/с.

Для жидкостей и твердых веществнижний предел по скорости горения близок к нулю – 3-5 г/м²с, верхний – для жидкостей 0,05-0,1 кг/м²с (до 100 г/м²с), для твердых веществ – 0,015 - 0,02 кг/м²с (до 20 г/м²с).

Необходимо добавить, что горение прекратится также и тогда, когда скорость газовоздушной смеси станет выше предельного значения скорости распространения турбулентного пламени, то есть когда n_см < n^турб_распр. В этом случае говорят, что горение прекратилось вcлeдcтвие аэродинамического срыва пламени.

Пределы по теплоте горения. Теплота горения газовоздушных смесей органических веществ лежит в пределах Q_н = 10-100 тыс. кДж/кг. Горючие вещества не имеют значений теплоты горения ниже Q_np. = 1083 кДж/м³ для газов, Q_пр = 2095 кДж/кг для жидкостей.

Предел по температуре пламени. Теоретическая температура пламени t_пл. достигает для разных веществ 1700-2200 ⁰С. На пожаретемпература пламени существенно ниже из-за по­терь тепла и составляет 1100-1500 ⁰С. Существует критическая температура пламени (температура потухания), ниже которой протекание реакций высо­котемпературного окисления в пламени невозможно – t_пл.^noт = 1000 ⁰C. Верхние пределы температуры пламени составляют: для газов – 1900-2100 ⁰С; горючих жидкостей – 1800-1900 ⁰С; твердых веществ – 1700-1800 ⁰С (кроме пороха, магния Mg, других металлов, у которых t_nл. = 2800 ⁰С).