2.2. Пожар и его разви1ие

Классификация пожаров. Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальной ущерб. Неконтролируемое горение вне специального очага, не причинившее ущерба, называется загоранием. Основным фактором, определяю­щим материальный ущерб, наносимый пожаром, является стоимость сгоревших или пришедших в негодность конструкций зданий и соору­жений, конструктивных элементов воздушных судов, оборудования и т. п. Иногда пожары приводят к гибели людей в результате их от­равления дымом, содержащим высокотоксичные продукты термичес­кого разложения пластмасс и продуктов неполного сгорания, а также воздействия высокой температуры пожара, высокого уровня теплового излучения пламени и других причин.

Пожары классифицируются:

по внешним признакам — на наружные и внутренние, одновре­менно наружные и внутренние, открытые и скрытые, одновременно открытые и скрытые;

по месту возникновения — на воздушных судах, в зданиях, на открытых площадках, на лесных массивах и т. д.;

по времени введения сил и средств — на незапущенные и запу­щенные.

Все пожары отличаются друг от друга своими параметрами. Не­возможно отыскать даже двух пожаров, абсолютно идентичных по параметрам развития. Однако для всех пожаров характерно нали­чие определенных явлений, без знания и учета которых невозможна организация борьбы с пожарами. К этим явлениям относятся:

взаимодействие в слое пламени горючего вещества с кислоро­дом воздуха иди другим окислителем;

выделение в зоне горения тепла и продуктов сгорания;

передача тепла и распространение продуктов сгорания;

при горении в замкнутых объемах термическое разложение горючих материалов и веществ с выделением в воздушный объем вы­сокотоксичных веществ — продуктов неполного сгорания.

Помимо этого, пожары могут сопровождаться обрушением кон­структивных элементов зданий и сооружений, интерьера пассажир­ских салонов, деформацией и разрушением планера воздушного суд­на, взрывами крыльевых и центропланных топливных баков воздуш­ных судов, образованием взрывоопасных смесей продуктов неполно­го сгорания с кислородом воздуха и т. п.

Зоны пожара. Пространство, в котором происходят пожар и со­провождающие его явления, делится на три зоны: горения, теплово­го воздействия и задымления.

Зона горения представляет собой часть пространства, в кото­рой происходят подготовка горючих веществ и материалов к горе­нию (расплавление, испарение, разложение) и их непосредственное горение. Она включает в себя объем паров и газов, ограниченный тонким слоем пламени и поверхностью горящих веществ, с которой па­ры и газы поступают в объем зоны и пламя.

Зона теплового воздействия представляет собой часть простран­ства, окружающего зону горения. Тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния вещества и материала и делает невозможным пребывание в этой зоне людей без средств тепловой защиты. При наличии в зоне горючих веществ и материалов проис­ходит их термическая подготовка к горению и создается реальная угроза дальнейшего распространения пожара. При пожарах внутри помещений тепловое воздействие ограничено конструктивными эле­ментами, тепло передается главным образом конвекцией и теплопро­водностью. При наружных, пожарах тепловое воздействие в виде теп­лового излучения распространяется во все стороны полусферы, не экранируемые конструкциями зданий, планером воздушного судна или другими сооружениями и' оборудованием.

Зона задымления представляет собой часть пространства, примы­кающую к зоне горения и заполненную дымовыми газами и продук­тами термического разложения в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровья людей и затрудняющих действия пожарно-спасательных подразделений по проведению аварийно-спасательных ра­бот

Все перечисленные зоны на каждом пожаре различны как по раз­мерам и форме, так и по характеру протекания процессов.

Параметры пожара. Они не постоянны и изменяются во време­ни. Изменение их от начала возникновения горения до его прекра­щения называется развитием пожара. Условия развития пожара характеризуются следующими основными параметрами: линейной скоростью распространения огня по поверхности горючих веществ и материалов, удельной теплотой пожара, количеством горючих ве­ществ и материалов в зоне горения, размерами пламени, скоростью выгорания горючих веществ и материалов, скоростью прогрева и задымления воздушного объема при внутри объемных пожарах.

Линейная скорость распространения огня (фронта пламени) по поверхности горючих веществ и материалов характеризует начальную стадию развивающегося пожара и зависит от многих параметров: вида горючих веществ и материалов, их химического состава и агрегатного состояния, температуры наружного воздуха при •дарении жидкостей, температуры зоны горения, метеоусловий и т. п. от линейной скорости зависит время протекания начальной стадии пожара, когда идет рост его площади. Этот параметр является решающим при определении продолжительности введения средств тушения и их суммарной подачи. Линейная скорость распространения огня может составлять в среднем для авиатоплива ТС-1 от 1,2 до •3,4 м/с, а для декоративно-отделочных материалов пассажирских салонов от 0,8 до 1,2 м/мин.

Удельная теплота сгорания при пожаре (МВт/м²) представляет собой количество теплоты, выделяющееся при пожаре с единицы площади в единицу времени

9o=PQfiu_m,

где р — коэффициент химического недожога, равный 0,8—0,9; QS — низшая удельная теплота сгорания горючего материала, МДж/кг — удельная массовая скорость выгорания материала, кг/(м²- с).

Площадь выгорания жидкостей при расчетах относят к площади j;зеркала жидкости в спокойном состоянии. Анализ протекания процесса пожара авиатоплива ТС-1 показывает, что начальная стадия развития пожара, характеризующаяся постоянным увеличением теп­лового потока, в зависимости от различных условий может длить­ся от 1 до 4 мин.

Общая теплота сгорания при пожаре (МВт), от которой зависит характер теплового воздействия пожара,

q = <7ол(и,т)²= доЕ„,

где vi — линейная скорость распространения огня, м/с; т — свободное вре­мя горения, с; f_n — максимальная площадь пожара, м².

Продолжительность, скоротечность, размеры пожара, а следо­вательно, время и результаты воздействия его факторов на элемен­ты зданий, сооружений, воздушных судов, а также на людей, нахо­дящихся в его зонах, во многом определяются размерами и характе­ром горючей загрузки. Под ней понимается количество (масса) всех сгораемых и трудносгораемых веществ, материалов и конструктив­ных элементов, находящихся в помещении или на открытой площад­ке, отнесенное к единице площади пола помещения или открытой площадки. При пожарах на ВС горючая загрузка может достигать больших значений. Например, для самолета Ил-62 она равна ~200 кг/м², из которых при полной топливной загрузке 130 кг/м² состав­ляет авиационное топливо ТС-1, являющееся легковоспламеняющей­ся жидкостью III разряда.

Пламя. Это внешнее проявление горения газа, пара или взвеси. Пламя образуется тонким газовым слоем (оболочкой), в котором и происходит собственно горение. Этот газовый слой обычно имеет высокую температуру, развивающуюся за счет тепла, выделяющегося в результате горения. Горение всех веществ и материалов, при­меняющихся в самолетостроении и при эксплуатации воздушных судов (авиатоплива, гидрожидкости, спиртов, декоративно-отделоч­ных материалов, магниевых сплавов), сопровождается пламенем. Об­разование пламени обусловлено тем, что практически все горючие материалы под воздействием тепла источника воспламенения выде­ляют горючие пары и газы. Отдельные металлы (титан, алюминий) могут гореть на поверхности детали или слитка.

Пламя всегда излучает тепло. Это излучение при послеаварийных пожарах во время авиационных происшествий может иметь са­мое различное значение (от 135 кВт/м² при горении авиатоплива и пластмасс до 6180 кВт/м² при горении магниевых или титановых сплавов). Характер пламени во многом зависит от количества кисло­рода, содержащегося непосредственно в горящем веществе. Если в состав вещества входит 50% и более кислорода, то пламя несветя­щееся. Если содержание кислорода 50%, то пламя становится светя­щимся. При содержании углерода более 80% вещества и материалы горят светящимся пламенем, в котором содержится большое коли­чество сажи (коптящее пламя). Коптящим пламенем горят практиче­ски все материалы, находящиеся на борту воздушного судна. Исклю­чение составляют пламени спиртов и металлов, последние при горе­нии выделяют плотный белый дым.

Основным горючим материалом при наземных послеаварийных пожарах на воздушных судах служит авиатопливо, вытекающее из разрушенной топливной системы потерпевшего аварию самолета и покрывающее некоторую площадь. В случае его воспламенения об­разуется пламя различных размеров как по площади, так и по высо­те. Площади, занимаемые разлитыми авиатопливами, могут быть весьма значительными (для воздушных судов 8-й категории УТПЗ расчетная площадь возможного пожара равна 1320 м²). Принимая во внимание максимально возможную высоту пламени, можно пред­ставить себе хотя бы приближенно объем зоны горения. Для воздуш­ных судов 8-й категории УТПЗ этот объем может составлять около 20 000 м³.

Поскольку пламя, представляющее истинную поверхность го­рения, является турбулентным и постоянно изменяет свои геометри­ческие размеры и очертания, для удобства расчетов за поверхность горения принимается поверхность жидкости или твердых материалов, с которой пары и газы поступают в зону горения.

Скорость выгорания. Различные горючие вещества и материалы имеют разные⁴ скорости выгорания. За скорость выгорания прини­мается изменение массовых или геометрических параметров горю­чего вещества или материала во времени в процессе его горения. Ско­рости выгорания могут быть массовыми, объемными или линейными и соответственно иметь следующие размерности: кг/(м²- с), мм/мин, см/ч. Например, для авиатоплива ТС-1 эти скорости равны: мас­совая 4,8- 10~³ кг/(м²- с) и линейная 3,6 мм/мин (по высоте столба жидкости).

Скорость выгорания зависит от ряда параметров, основными из которых являются химический состав и агрегатное состояние вещества или материала. Наибольшими скоростями выгорания обладают вещества и материалы, имеющие высокую степень раздробленности, К т. е. газы, пары и пыли. Гораздо меньшие скорости выгорания имеют жидкости и относительно невысокими скоростями выгорания обла­дают твердые горючие вещества и материалы. Причем, чем тверже и тяжелее вещество или материал, тем меньше его скорость выгорания.

Знание скорости выгорания того или иного горючего материа­ла необходимо при проведении расчетов для организации работы пожарно-спасательных подразделений и обеспечения тепловой за­щиты людей, техники и конструктивных элементов объектов в случае возникновения пожара.

При горении различных по своему составу веществ и материалов выделяются неодинаковые количества тепла. Количество тепла, вы­делившееся при полном сгорании единицы массы или объема горю­чего вещества, называется теплотой сгорания. Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшей удельной теплотой сгорания Qв называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м³ горючего вещества при условии, что содержа­щийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей удельной теплотой сгорания QS называется количество тепла, выде­ляемое при сгорании 1 кг или 1 м³ горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарения вла­ги, содержащейся в горючем веществе или материале.

В расчетах принимают низшую удельную теплоту сгорания. Так, низшая удельная теплота сгорания отдельных материалов, которые могут гореть при пожаре, сопровождающем авиационное происшест­вие, равна: авиационного топлива ТС-1—42,91 МДж/кг; пороло­на (пенополиуретана)—24,28 МДж/кг; органического стекла — 27,72 МДж/кг.

Основные виды теплопередачи. При пожарах все тепло, выде­лившееся в результате сгорания различных веществ и материалов, передается в окружающую среду посредством теплопередачи. Тепло­передача — это самопроизвольные необратимые процессы передачи тепла от одного тела к другому и распространения тепла в физичес­ких телах. Тепло всегда передается от более нагретого к менее нагре­тому телу. Перенос тепла может осуществляться тремя путями: теп­лопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. На практике передача тепла осуществляется, как правило, комбинированным способом.

Теплопроводность — это процесс, при котором передача тепла происходит между соприкасающимися телами, имеющими разную степень нагрева, т. е. разную температуру. Этот процесс осуществ­ляется за счет движения микрочастиц тел. Например, прогрев кон­структивных элементов внутри ВС при горении разлитого авиатопли­ва происходит в результате передачи тепла от обшивки планера, кон­тактирующей с пламенем горящего топлива, к внутренним конструк­циям и декоративно-отделочным материалам. Конвекция—это процесс переноса тепла, происходящий в жид­кой и газообразной среде с неоднородным распределением темпе­ратур и скоростей, за счет перемещения и перемешивания микро­частиц среды. При конвекции всегда имеет место и теплопроводность, поэтому совместный процесс называют конвективным теплообменом. Примером может служить прогрев воздушного объема пассажир­ских салонов во время внутриобъемного пожара или наружного по­жара разлитого авиатоплива. Здесь, как и в большинстве пожаров, имеет место свободная конвекция, при которой движение газовых масс происходит при наличии разности плотностей среды в объеме кабин.

Тепловое излучение — это перенос тепла излучением вследствие электромагнитных колебаний, испускаемых нагретым теплом. Лучи­стая энергия, испускаемая одним из тел, встречая на своем пути другие тела, частично поглощается (при этом она снова переходит во внутреннюю энергию тела), частично отражается и частично про­ходит сквозь тела. Лучи, называемые тепловыми, в наибольшей мере обладают свойствами поглощения и перехода их энергии во внутрен­нюю энергию тел. Они имеют длины волн в диапазоне от 0,4 до 40 мкм. У твердых тел количество излучаемой энергии зависит от их состава и состояния поверхности. Для всех тел характерно увеличение из­лучения с повышением температуры тела, а для газов — также и с увеличением газового слоя и давления в нем. Согласно закону Вина тепловое излучение пламени горящего авиатоплива ТС-1 в диапа­зоне температур от 1050 до 1250° С имеет длины волн от 2,19 до 1,9 мкм, а тепловое излучение пламени магниевых сплавов из-за го­раздо большей, температуры может Иметь длину волн, равную 0,885 мкм. Таким образом, при горении авиатоплива для тепловой защиты достаточно иметь любую одежду и прозрачное защитное стекло, а при горении магниевых сплавов необходимо использовать затемненное защитное стекло, чтобы не получить ожога сетчатки глаз, так как в этом случае тепловое излучение сдвигается в види­мый спектр излучения электромагнитных волн.

Температурный режим пожара. Им называется изменение темпе­ратуры в процессе развития пожара. Температурные показатели являются одними из основных параметров, в обязательном порядке учитываемых при работе пожарно-спасательных подразделений на пожаре. При этом необходимо различать температуры наружного и внутреннего пожара.

При наружном пожаре за его температуру принимается средне-поверхностная температура пламени. На эту температуру оказыва­ет влияние ряд факторов, основными из которых являются: вид го­рючего вещества или материала, его агрегатное состояние, темпе­ратура наружного воздуха и др. Поскольку каждое из горючих ве­ществ обладает определенной теплотой сгорания, тр и температура пламени будет выше у того вещества, при сгорании которого выде­ляется большее количество тепла.

Агрегатное состояние вещества или материала оказывает значи­тельное влияние на температуру горения. Чем выше дисперсность вещества, тем лучше оно перемешивается с окислителем, тем выше скорость горения и полнота сгорания, а значит, и температура горения. Так, горение толуола при испарении его со свободной поверх­ности сопровождается температурой пламени, не превышающей •ВоО⁰ С. При горении паров толуола, предварительно перемешанных с воздухом, процесс происходит со взрывом при температуре около 60° С. Соответствующим образом меняются значения температур, Ели горючим материалом является авиатопливо ТС-1. Температура окружающей среды оказывает определенное влияние на процесс развития пожара и его температурный режим. Это происходит потому, что воздух, попадая в пространство, примыкающее к зоне реакции (пламени), охлаждает его. Так, при температуре окружающей среды — 38°С среднеповерхностная температура пламени горящего авиатоплива ТС-1 составила 950° С, в то время как при температуре окружающей среды 18° С она была равна 11070° С.

При внутриобъемных пожарах за их температуру принимается среднеобъемная температура помещения, в котором происходит пожар. Поэтому эти пожары по сравнению с наружными иногда назы­вают низкотемпературными. Максимальная температура при этих пожарах находится в зоне горения и над ней. Минимальная темпе­ратура — в наиболее удаленной от места горения зоне и по полу по­мещения. На температуру внутреннего пожара оказывают влияние следующие факторы: скорость развития пожара, прогрев окружаю­щего оборудования и ограждающих конструктивных элементов, уро­вень газообмена и т. п.

Особенностью распределения температур при внутренних пожа­рах является то, что нарастание температуры по высоте помеще­ния происходит весьма резко. Это наиболее заметно в помещениях, имеющих незначительную высоту. К ним можно отнести пассажир­ские салоны и багажные отсеки ВС, туннели, подвалы и т. п.

При пожарах в закрытом объеме (загерметизированные пасса­жирские салоны, багажные отсеки ВС) газообмен происходит за счет конвективных потоков газовоздушной смеси и диффузии кисло­рода в зону горения (пламя). В этом случае на развитие пожара ос­новное влияние оказывает количество воздуха, находящегося в объ­еме помещения, где происходит пожар.

Для горения любого горючего вещества или материала необ­ходимо определенное количество воздуха. Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания, единицы массы или объ­ема горючего вещества, называется теоретически необходимым. На­пример, для сгорания 1 кг авиатоплива ТС-1 требуется 14,85 кг, или 11,5 м воздуха, а для сухой древесины соответственно 5,4 кг, или 4,18 м³. Такая значительная разница обусловливается разностью химического строения материалов: в молекулах древесины присутст­вует кислород, участвующий в процессе горения, в химический состав авиатоплива кислород не входит. Помимо химического состава на не­обходимое количество воздуха оказывает влияние и агрегатное со­стояние горючих материалов. Для основной массы рыхлых и пористых материалов воздуха на горение требуется меньше, чем для более плотных.

Практически при горении во время пожара воздуха расходует­ся значительно больше теоретически необходимого количества. Раз­ность между количествами воздуха, практически расходуемого на горение и теоретически необходимого, называется избытком воздуха. Отношение количества воздуха, практически расходуемого на горе­ние W_{B m}, к теоретически необходимому W, называется коэффициен-

' W

том избытка воздуха а = i»/^np. В условиях наружных пожаров,

w в

когда горение протекает с естественным притоком воздуха, а значи­тельно больше единицы и его значение может колебаться в широких пределах.

Продукты сгорания. Ими являются газообразные, жидкие и твер­дые вещества, образующиеся в результате соединения горючего ма­териала с окислителем. В условиях пожара этим окислителем служит, как правило, кислород воздуха. Состав продуктов сгорания зависит от химического состава горючих материалов и условий горения. При пожарах чаще всего горят органические вещества и материалы (дре­весина, ткани, авиатоплива, резина, декоративно-отделочные мате­риалы пассажирских салонов), в состав которых входят углерод, водород, кислород, азот и другие вещества. При их полном сгора­нии образуются следующие газообразные продукты сгорания: угле­кислый газ, окись углерода, вода, молекулярный азот, окислы азота и т. п. При коэффициенте избытка воздуха, близком к единице, про­исходит неполное сгорание горючих веществ и материалов, в резуль­тате чего в воздушный объем помещений или в зону задымления мо­гут поступать различные недоокислившиеся вещества, являющиеся в большинстве своем высокотоксичными веществами, например си­нильная кислота, окись углерода, акрилонитрил, акролеин, фосген, хлористый и фтористый водород и т. п.

Помимо газо- и парообразных продуктов сгорания могут обра­зовываться и твердые вещества в виде шлаков и мелких дисперсных частиц, состоящих из сажи и твердых окислов. Эти частицы из-за своего малого объема и массы находятся во взвешенном состоя­нии и увлекаются из зоны горения конвективными потоками, за счет чего и образуется дым. Диаметр частиц дыма весьма незначителен, и его размеры могут составлять от 0,01 до 1,00 мкм. Более крупные частицы с относительно большей массой выпадают из конвективного потока.

Объем дыма, образующегося при сгорании какого-либо горючего материала при коэффициенте избытка воздуха, равном единице, зави­сит от химического состава горючего вещества и может составлять: для бумаги и хлопчатобумажных тканей 4,8 м³; для резины 10,8 м³; для авиатоплива ТС-1 12,8 м³.

Цвет дыма зависит от его состава. Так, дым, содержащий сажу, имеет черный цвет, а содержащий окислы магния или значительное количество паров воды — более светлый цвет, доходящий до серого.