Расследование пожаров / Cheshko - Analiz versiy vozniknoveniya pozhara. Kniga 2 2012

ФГБУ ВНИИПО МЧС России Санкт-Петербургский филиал

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ЭКСПЕРТИЗЫ ПОЖАРОВ

И.Д. Чешко

В.Г. Плотников

АНАЛИЗ экспертных версий возникновения пожара

Книга 2

Санкт-Петербург

2012

ВВЕДЕНИЕ

В первой книге данного издания было приведено достаточно много информации, необходимой дляанализаверсийвозникновенияпожараотнаиболеераспространенныхисточниковзажигания– открытого пламени, нагретых поверхностей различной природы, электрических и фрикционных искр и т.д., а также в результате протекания различных пожароопасных процессов. Пожары от указанных источников зажигания могут возникать в контакте с различными горючими средами

ина различных объектах – как природных, так и рукотворных. И, тем не менее, мы сочли необходимым отдельно остановиться на наиболее сложных для экспертного анализа и достаточно часто встречающихся на практике ситуациях. К таковым относятся взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей (газовые и пылевые взрывы), природные (в первую очередь лесные) пожары, поджоги. Из технических средств, наиболее часто становящихся объектом пожара, мы в отдельной главе рассмотрим пожары автомобилей.

Методически неверно было бы не рассмотреть в данной книге, хотя бы кратко, и вопросы реконструкции начальной стадии пожара, которая должна завершать экспертный анализ версий по причине пожара. Именно от этой стадии зависит, разовьётся ли пожар за пределы очага с той или иной скоростью, либо произойдет его самозатухание. Реконструкция начальной стадии пожара является, по сути, «проверкой на прочность» результатов экспертного анализа и сделанного экспертом вывода о причине пожара.

Наконец, естественным финалом экспертного анализа версий является подведение его итогов

иформулирование выводов о причине пожара. Здесь, как показывает практика, есть свои нюансы

ипроблемы, на которые также следует обратить внимание экспертов.

Авторы выражают искреннюю признательность всем экспертам СЭУ ФПС МЧС России, чей практический опыт, выполненные экспертизы и исследования нашли отражение в тексте книги. Особая благодарность – Ю.Н. Елисееву, М.Ю. Принцевой, А.В. Мокряк, Е.В. Олесовой и другим сотрудникам Исследовательского центра экспертизы пожаров за помощь в подготовке данного издания.

Надеемся на отзывы со стороны коллег по содержанию книги.

3

ГЛАВА 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

13.1.Классификация взрывов

13.2.Действие взрыва

13.3.Особенности разрушений при взрывах газов и паров

13.4.Оценка повреждений и сила взрыва

13.5.Действие факторов взрыва на человека и животных

13.6.Взрывы в результате утечки газа

13.7.Взрывы бытовых газовых баллонов

13.8.Взрывы и вспышки аэрозольных систем «жидкость-воздух»

13.9.Розлив и испарение горючей жидкости

13.10.Взрывы в емкостях с ЛВЖ (ГЖ)

13.11.Горение и взрывы пылей

13.12.Вспышки и взрывы, возникающие в ходе пожара

13.13.Дифференциация взрывов конденсированных ВВ и газо-паро-пыле-воздушных смесей. Отработка версии

Достаточночастоизпоказанийпострадавших, свидетелей, другихматериаловделаследует, что пожар начался (или пожару предшествовало) явление, условно называемое взрывом. Взрывные явления могут наблюдаться и в ходе развития пожара. И в том, и в другом случае природа и причины возникновения указанных явлений требуют исследования. При этом приходится отвечать на ряд вопросов, основные из которых следующие.

1.Имел ли место взрыв вообще? В одних случаях факт взрыва очевиден по тем разрушительным последствиям, которые он оставил. Если в жилом доме вынесло стену или разрушена целая многоэтажная секция, то сомневаться в факте взрыва, естественно не приходится.

Однако очень часто такие сомнения могут иметь место. Многие свидетели, находясь в состоянии стресса от увиденного на пожаре, склонны трактовать как взрыв любой громкий и резкий звук, будь то разбитая бутылка, лопнувшая лампа или колесо автомобиля. Даже профессиональные пожарные, сталкиваясь в процессе тушения с такими явлениями, как «обратный удар» или «общая вспышка» (см. ниже), воспринимают и оценивают случившееся, как взрыв. Поэтому квалификационные признаки взрыва как физико-химического процесса должны быть выявлены

исоответствующим образом оценены.

2.Какова природа взрыва?

Вопрос о природе взрыва является важнейшим уже на начальной стадии расследования инцидента, т.к. определяет круг специалистов, в чьих возможностях и компетенции с ним разбираться. Еслиэтобылвзрывштатногоилисамодельногобоеприпаса, тоэтопрерогативавзрывотехнических экспертов. Если имела место утечка газа, испарение горючей жидкости и другие процессы, вызвавшие формирование горючей пыле-паро- или газо-воздушной смеси (далее – топливо-воздушной смеси, ТВС) и ее дефлаграционное сгорание или взрыв, то это в общем случае компетенция пожарно-технических экспертов. Физические взрывы требуют участия специалистов-технологов, механиков, металловедов и т.д.

Установление природы взрыва может представлять собой достаточно сложную задачу, поэтому данному вопросу ниже по тексту уделяется особое внимание.

3. Что первично – взрыв или пожар?

Подобный вопрос является важнейшим для следствия и, как правило, ставится на разрешение эксперта, если пожар сопряжен со взрывом и временной промежуток между взрывом и обнаружением первых признаков горения незначителен.

4

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

Нижеизложенынекоторыесведенияовзрывныхявлениях, необходимыедляответанаприведенные выше вопросы. Основное внимание мы постарались уделить горению и взрывам ТВС, а также признакам, позволяющимотличитьэтипроцессыотвзрывовконденсированныхвзрывчатыхвеществ(ВВ).

При экспертном исследовании пожара, сопряженного со вспышкой (взрывом) ППГВС, многое не соответствует классическим канонам пожарно-технической экспертизы.

Оченьтрудноотвечатьнавопрособочагепожара– очаговыепризнакипоместуинициирования взрыва не успевают сформироваться, горение после взрыва может возникнуть сразу в нескольких местах, а зону наибольших термических поражений никак нельзя автоматически отождествлять с очагом пожара – в подобных случаях такая зона, как правило, формируется по месту наибольшей (или наиболее легкогорючей) пожарной нагрузки, лучших условий воздухообмена и т.д.

Если инцидент произошел в закрытом помещении, то наибольшие разрушения также могут быть вовсе не в центре взрыва или центре помещения, а, наоборот, по периметру данного помещения. Многое зависит от геометрии помещения, заполненности его мебелью и оборудованием, наличия оконных и дверных проёмов (см. далее).

Здесь не применим стандартный экспертный подход, когда установление непосредственной причины пожара, по сути, заменяется поиском источника зажигания. Если взрыв не является следствием преднамеренных действий, то источник зажигания носит обычно случайный характер – это может быть искра электрическая, фрикционная, открытый огонь и т.д. В данном случае важнее разобраться со второй вершиной «треугольника пожара» – горючим веществом – объяснить, что это за вещество и откуда оно могло появиться. Не лишним будет показать, что вещество это могло не просто присутствовать в воздухе, а находиться во взрывоопасных концентрациях.

Всё вышеперечисленное создаёт для эксперта определенные трудности, но трудности преодолимые при соответствующем уровне квалификации и творческом подходе к экспертному исследованию.

13.1. Классификация взрывов

•Физические взрывы

–Взрывы расширяющихся паров кипящей жидкости

•Химические взрывы

–Взрывы горючих паров и газов

–Механизм горения ГПВС. Дефлаграция и детонация

–Взрывы пылей

–Взрывы продуктов неполного сгорания веществ и материалов

•Прочие виды взрывов

Взрыв, в широком смысле этого слова, представляет собой «процесс весьма быстрого физи-

ческого или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в механическую работу. Работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов или паров независимо от того, существовали ли они до или образовались во время взрыва» [1].

В [2] взрыв определяется как «внезапное превращение потенциальной энергии (химической или механической) вкинетическуюэнергиюсвыработкойивысвобождениемгазовподдавлением. Эти газы под высоким давлением затем производят механическую работу, такую как передвижение, изменение или разрушение окружающих объектов».

Взрывы по природе своей обычно разделяют на три основные группы – физические, химические, ядерные. Иногда, кроме этого, выделяют так называемые «электрические» взрывы. Эти типы отличаются друг от друга источником или механизмом взрывного давления.

5

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

Физические взрывы

Физические взрывы (в отдельных странах и литературных источниках их принято называть механическими взрывами) сопровождаются переходом потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую и происходят, когда прочностных свойств оболочки оказывается недостаточно для сохранения газа или пара, находящегося под давлением, в первоначальном объеме. Физические (механические) взрывы – это взрывы, при которых высокое давление газа создается чисто физическим путем; здесь нет изменений в химической природе вещества, содержащегося в реакторе, баллоне или иной емкости. Чисто физический взрыв – это нарушение целостности баллона или цистерны с газом в результате освобождения газа, хранящегося под высоким давлением, например, сжатого воздуха, двуокиси углерода, кислорода и т.д.

Взрывы расширяющихся паров кипящей жидкости

Одна из разновидностей физического (механического) взрыва – взрыв расширяющихся паров кипящей жидкости (в англоязычной специальной литературе их обозначают аббревиатурой BLEVE [2]). Это взрывы сосудов, содержащих жидкости под давлением при температуре, превышающей их температуры кипения при нормальных условиях. Для взрыва вовсе не обязательно воспламенение жидкости. Взорваться может и зажигалка или аэрозольный баллончик, бак автомобиля, цистерна с жидкостью в промышленности. BLEVE может произойти, когда температура жидкости и паров внутри емкости поднимается до точки, при которой возрастающее внутреннее давление нельзя больше сдержать, и емкость взрывается. Подобный взрыв может также быть результатом уменьшения прочности емкости при механическом повреждении или локальном нагревании. Разрыв емкости освобождает жидкость, находящуюся под давлением, она выбрасывается наружу, испаряясь почти мгновенно [2].

Если жидкость горючая, то при этом часто возникает пожар. Зажигание происходит от источника внешнего тепла, которое явилось причиной нагрева емкости, либо от какого-нибудь электрического источника, либо в результате трения, созданного взрывом или разлетающимися при взрыве осколками.

Обычный пример BLEVE, не связанного с воспламенением жидкости, это взрыв парового котла. Источником избыточного давления является пар, создаваемый нагреванием и кипящей водой. Когда котел больше не может сдерживать давление пара, происходит взрыв.

BLEVE – этотипфизическоговзрыва, которыйчащедругихфизическихвзрывоврассматривается при экспертном исследовании пожаров. Обычно он происходит уже в ходе пожара, когда температура жидкости и пара внутри цистерны или сосуда поднимается по причине внешнего нагрева до точки, при которой возрастающее внутреннее давление не может дальше быть сдержано, и происходит взрыв

Может подобный взрыв и предшествовать пожару. Распространенным примером такой ситуации является разрушение переполненного сверх норматива и внесенного в теплое помещение газового баллона со сжиженной пропанобутановой смесью. Результатом такого физического взрыва может быть второй, гораздо более мощный, уже химический взрыв образовавшейся в объеме помещения горючей паровоздушной смеси и последующий пожар.

Химические взрывы

Вхимических взрывах выделение газа высокого давления является результатом экзотермических реакций с изменением химической природы горючего вещества. Химические реакции, связанные с взрывом, обычно передаются по фронту реакции от точки возникновения.

Вхимических взрывах могут участвовать твердое горючее вещество или взрывные смеси топлива и окислителя.

6

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

Можно выделить несколько подтипов взрывов в соответствии с видом топлива. Это взрывы:

–горючих газов;

–паров легковоспламеняющихся, горючих жидкостей или жидкостных аэрозолей;

–горючих пылей;

–конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) небольшой силы (подвергающихся дефлаграции);

–конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) большой силы (подвергающихся детонации);

–газообразных и мелкодисперсных продуктов неполного сгорания.

Исследование взрывов конденсированных ВВ находится в компетенции экспертоввзрывотехников. Поэтомунижемыостановимсянахимическихвзрывах, исследуемыхврамкахсудебных пожарно-технических экспертиз. Это взрывы горючих газов, паров, жидкостных аэрозолей и твердых аэрозолей (пылей).

Взрывы горючих паров и газов

Самымираспространеннымивпрактикепожарно-техническихэкспертовхимическимивзрыва- ми являются те, которые произошли вследствие горения паров легковоспламеняющихся (горючих) жидкостей и горючих газов. Эти взрывы часто называют газовыми взрывами [65]. Под газовыми взрывами принято понимать процесс горения (дефлаграции), либо детонации газового облака – смесигорючеговещества(вгазовойилипаровойфазе) своздухомилиинымокислителем, приводящийкбыстромуповышениюдавлениявзамкнутомобъемеиливсреде, окружающейместовзрыва. Газовыевзрывымогутпроисходитьвтехнологическомоборудовании, втрубахиканалах, взданиях и отдельных помещениях [65].

Во взрывах газо-паровоздушных смесей (далее будем обозначать их как ГПВС), избыточное давление создается быстрым горением топлива и быстрым выделением больших объемов продуктов сгорания и нагретых газов.

Взрывы ГПВС, а также жидких аэрозольных систем и пылевоздушных смесей образуют класс объемныхвзрывов. Вотличиеотвзрывовпылей, которыепроисходяттольковпомещенияхииных замкнутых пространствах, взрывы ГПВС могут происходить как в помещениях, так и в открытом пространстве [1].

В. Маршалл [3] классифицировал вещества, способные к образованию ГПВС, в соответствии

сдиаграммой состояния (твердая фаза – жидкость – газ – пар):

1категория: вещества с критической температурой ниже температуры среды (криогенные вещества – например, сжиженный природный газ, азот, кислород);

2категория: вещества с критической температурой выше, а точкой кипения ниже, чем в окружающей среде (сжиженный нефтяной газ, пропан, бутан, аммиак, хлор) Их особенностью является мгновенное (очень быстрое) испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся части до точки кипения при атмосферном давлении;

3категория: жидкости, у которых критическое давление выше атмосферного и точка кипения вышетемпературыокружающейсреды(т.е. вещества, находящиесявжидкомсостояниивобычных условиях). Сюда попадают некоторые вещества предыдущей категории – бутан в холодную погоду и оксид этилена – в жаркую;

4категория – вещества, содержащиеся при температурах, выше температуры кипения (например, водяной пар в котлах).

При разрушении емкостей с веществами 1 и 2 категории происходит их выброс в атмосферу, вскипание с быстрым испарением и образованием облаков ГПВС.

Приразлитиижидкостей3 категорииихиспарениезависитотихлетучести, температурывнешней среды, скорости ветра. Подробнее об этом – см. в [4].

После выброса горючего развитие явления может протекать по четырём направлениям [5, 65]. Они показаны на рис. 13.1.

7

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

Рис.13.1. Дерево событий, происходящих при выбросе газа или ЛВЖ(ГЖ) в помещении

Если концентрация горючего в воздухе окажется ниже НКПР, выше ВКПР или источник зажигания отсутствует, то облако рассеется и взрыва не происходит. В противном случае загорание может произойти немедленно или с определенным замедлением, иногда через десятки минут после формирования облака. При немедленном воспламенении чаще всего происходит вспышка облака и возникает пожар без фугасных эффектов. Но самая опасная ситуация возникает в случае, когда к моменту загорания успевает образоваться большое облако перемешанной смеси горючего с воздухом [65].

Механизм горения ГПВС. Дефлаграция и детонация

В большинстве перемешанных газо-паровоздушых смесях при возникновении горения распространение пламени по исходной свежей смеси происходит со сравнительно низкой скоростью. Такое ламинарное или слаботурбулентное горение именуется дефлаграционным горением (дефлаграцией) или вспышкой. В самоподдерживающейся волне этого горения, фронт реакции которого продвигается по горючей смеси за счёт теплопроводности и конвекции в направлении отсгоревшегокнесгоревшему, непроисходитзначительногоповышениядавления, обусловленного ускорением реакции. Рост давления в этом случае является в основном результатом повышения температуры и даже в помещениях не превышает 0,6 – 0,7 МПа. Но в условиях замкнутого объёма он может, однако, привести к разрушению ограждающих очаг горения сплошных конструкций.

Дефлаграция, такимобразом, способнасимметричнораспространятьсявовсестороныотисточника зажигания. Она характеризуется, как указывалось выше, генерацией волны низкого давления, не обладающей особо выраженным ударным действием, а отмеченное выше разрушение конструкций является следствием не ударной волны, а общего увеличения давления в объеме помещения и достиженияконструкциямипределапрочности. Качественныеизменения объектапроисходятглавным образом под влиянием воздействия тепла (термические повреждения).

По сути, то, что называется дефлаграционным взрывом, есть быстрое сгорание газо- (паро-) воздушной смеси с концентрацией горючего от НКПР до ВКПР, т.е. смеси, подготовленной к горению. Скорость так называемого нормального горения зависит от концентрации горючего в смеси. Обратим внимание, что приводимая в учебниках и справочниках скорость нормального горения Vн – это скорость движения пламени относительно образовавшихся и расширяющихся, движущихся продуктов взрыва. Скорость движения пламени, которую мы наблюдаем, представляет сумму скоростей расширения смеси и нормального горения. В начальный момент взрыва она больше Vн

8

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

вє – раз, где є – кратность увеличения объема газовой смеси за счет выделения продуктов сгорания

иповышения температуры газовой фазы. Так, например, для пропано- и метано-воздушных смесей начальная видимая скорость пламени составляет около 3 м/с [6].

Вцелом диапазон возможных скоростей движения зоны дефлаграционного взрывного горения относительно неподвижного наблюдателя весьма широк и находится в диапазоне от единиц до десятков и сотен м/с, но меньше скорости звука. При случайных газовых взрывах углеводородновоздушных смесей и маломощном источнике зажигания (например, электрической искре) начальнаястадиявзрывногопревращенияпроходитвформе«медленного» движенияламинарногофронта пламени с видимой скоростью движения до нескольких десятков м/с.

При взрыве в зданиях или технологических модулях, насыщенных элементами оборудования, скорость пламени может возрасти до нескольких сотен м/с [65, 67].

Считается, что при дефлаграционном взрыве реализуется принцип квазистатичности избыточного давления. Т.е. давление, действующее в данный момент времени на любой конструктивный элемент ограждения (стены, потолок, окна, двери и т.д.) одинаково во всех точках помещения [6]. В зависимости от скорости дефлаграции создаваемые ей барические нагрузки могут достигать нескольких сотен кПа [65].

Но возможно распространение пламени по газовой фазе и по другому механизму – каждый последующий слой газовой смеси нагревается не молекулярной теплопроводностью, а путём быстрого и интенсивного сжатия. Это сжатие вызывается ускорением фронта пламени. Продукты сгорания, образующиеся при горении смеси, не только нагревают примыкающий слой свежей газовой смеси, но и, расширяясь за счёт нагрева, приводят в движение несгоревшую смесь. Быстрое движение газовой смеси и трение её о встречающиеся препятствия приводят к всё более возрастающей турбулизации смеси перед фронтом пламени. Пламя ещё больше вытягивается, его поверхность увеличивается, скорость пламени в целом возрастает и может достичь 1000 м/с. Такое увеличивающееся ускорение пламени приводит к возрастающему повышению давления и образованию волны сжатия – ударной волны [7].

Ударная волна представляет собой границу скачкообразного перехода от состояния исходной газовой смеси к состоянию сжатой смеси. Ударная волна создаёт условия сжатия всё новых слоёв под воздействием расширяющихся продуктов сгорания. Таким образом, по газовой смеси впереди фронта пламени распространяются волны сжатия в виде последовательных слабых ударных волн. Скорость распространения последующей ударной волны выше предыдущей. Это приводит к тому, что последующая ударная волна догоняет предыдущую и совокупность таких волн создаёт одну сильную ударную волну, в которой газовая смесь нагревается до температуры адиабатического самовоспламенения. Газовая смесь воспламеняется, и возникает новый устойчивый режим распространения горения – детонация. При детонации от слоя к слою передаётся только импульс сжатия, а теплопроводность при этом не играет роли. Скорость распространения детонационной волны в газовой фазе составляет 2000 – 5000 м/с [28].

Вотдельныхисточникахскоростьдетонациидлягазовыхсмесейуказываетсяравной700–2100 м/с.

В[8] сообщается о подразделении этих взрывов в США на два типа: низкоскоростной взрыв (скорость ударной волны до 900 м/с) высокоскоростной взрыв – детонационный (скорость ударной волны превышает 900 м/с).

В[4] отмечается, что огненный шар без детонации возникает обычно при горении ГПВС, переобогащенных топливом, а в некоторых случаях – в стехиометрических смесях. Переходу к детонации способствуют препятствия на пути распространения пламени, вызывающие турбулизацию (предметы, строения).

Сферическая детонационная волна может возникнуть и непосредственно в ГПВС, если размер облака превышает некоторое критическое значение. Для некоторых веществ эти значения приведены в таблице 13.1 и в пределах концентраций, указанных в таблице 13.2 [4].

9

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

Таблица 13.1

Минимальная энергия инициирования взрыва ГПВС (наиболее чувствительных к детонации смесей с объемной концентрацией топлива,% об.) и минимальные диаметры облака (dmin), способного детонировать (по М. Нетлетону) [4]

Таблица 13.2

Концентрационные (% об.) пределы детонации и воспламенения (дефлаграции) ГПВС

внеограниченном пространстве и в замкнутых объемах (по М. Нетлетону; Андрееву К.К., Беляеву А.Ф.) [4]

Взрывы пылей

Взрывы пылевоздушных смесей (аэрозолей) происходят преимущественно в ограниченном пространстве – в помещениях зданий, внутри технологического оборудования, в штольнях шахт. Достаточно часты взрывы мучной пыли в мукомольных производствах, на зерновых элеваторах, взрывы угольной пыли, взрывы пылей в текстильном производстве, при переработке пищевых продуктов, изготовлении лекарственных препаратов, пластмасс и т.д.

10